循环冲击载荷下岩石力学特性与损伤模型的试验研究

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本文主要以改进的SHPB试验系统为平台,以砂岩和花岗岩为研究对象,开展常规冲击试验和循环冲击试验,研究不同加载条件下岩石的动态力学特性,并建立动态统计损伤本构模型,分析了岩石的损伤演化规律。通过本文的研究,为深入了解岩石材料在冲击载荷作用下的力学特性和破坏机理以及工程岩体的长期稳定性评价提供一定的理论与技术支持。全文主要内容和结论性成果如下:(1)介绍了改进的SHPB试验装置、试验原理,分析了主要试验技术。为避免试样尺寸选取的盲目性和随机性,利用查值表确定了冲击试验中岩样的长度范围。(2)利用Instron1346型电液伺服材料试验机、RMT-150C试验机和改进的SHPB试验装置,分别花岗岩和砂岩进行了单轴静载压缩试验和常规冲击压缩试验,分析了岩石的强度和变形特性、能量传递规律及破坏形态,结果显示:岩石的抗压强度具有应变率相关性,两者符合指数函数关系;岩石的变形模量是应变率无关量;单位体积吸收能与应变率呈线性关系,且存在单位体积吸收能为零的临界应变率;在静载单轴压缩试验中,岩样以压剪破坏形式为主,而在冲击压缩试验中,岩样以拉伸破坏形式为主。(3)开展不同加载条件下的岩石循环冲击压缩试验,结果表明:试样破坏前的应力应变曲线的初始弹模基本相同,随着冲击载荷循环作用次数的增加,变形模量变小,试件的累积应变增加,屈服应力呈降低趋势;施加一定水平的轴压可以提高岩石的冲击强度。(4)建立了基于Weibull分布的统计损伤本构模型,确定了模型参数的计算方法。模型本构曲线与实测曲线具有较好的一致性,从而验证了模型的合理性。分析发现:损伤随着应变的增加而增大,在应力—应变曲线的峰值强度处,损伤变化有一个明显的拐点;最大损伤实际反映的是材料在载荷作用下的应变能力,其值与最大应变有关。岩石的累积损伤随着冲击次数和累积比能量吸收值的增加而增加,且与两者的关系曲线表现出大致相同的变化趋势。
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