高应变率下弱风化花岗岩压缩性能及损伤破裂试验研究

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花岗岩风化壳区内进行的工程爆破活动,无不涉及风化岩石高应变率下的损伤破裂等力学问题。本文以国家自然科学基金项目(NO.51404111)为依托,以弱风化花岗岩为研究对象,利用SHPB研究高应变率下弱风化花岗岩压缩性能及损伤破裂特性。对比分析风化和致密花岗岩动静抗压性能、不同孔隙度弱风化花岗岩的动力学特性、循环冲击下弱风化花岗岩的损伤演化规律及其动态损伤演化本构模型和强度准则,取得如下结论。(1)利用SHPB试验技术对孔隙度相近的弱风化与致密花岗岩,进行应变率在5.0×10-5 s-1和26.07 s-1~75.16 s-1下的单轴压缩试验,对比分析了两者强度和变形特性、能量耗散规律。研究表明,弱风化岩石比致密岩石的反射波幅值高、透射波幅值低;两种岩石在不同应变率下,动态峰值应力和弹性模量呈先增后减趋势变化,应变率、峰值应变和最大应变呈指数式增长,动态弹性模量与应变率弱相关,有增大趋势;两种岩石能量耗散具有显著的应变率效应,且破碎程度与应变率正相关。(2)利用NMR技术研究了孔隙度在2%~8%弱风化花岗岩的孔群层次细观结构分布,筛选出两组不同孔隙的岩样,分别进行损伤和破坏冲击,研究了不同孔隙岩石应力波的传播特性和应力-应变曲线的演化规律。研究表明,弱风化花岗岩随孔隙度增大,强度降低、变形和应变率增加;损伤冲击吸收能与孔隙度呈正相关,破坏冲击则相反;弹性模量与初始损伤程度相关,与应变率相关性不强。(3)利用能量法确定弱风化花岗岩的有效损伤阈值为0.0410 J/cm3,研究等速/不等速循环冲击下弱风化花岗岩力学特性。研究表明,等速循环冲击中,随冲击次数的增加,弹模、割线模量均减小,应变率呈先增后减的趋势,吸收能不断增长;在不等速循环冲击中,弹性模量和峰值应力呈先增后减,应变和应变率不断增长;循环冲击下损伤演化具有典型的三个阶段,建立了的双参数损伤演化模型;利用最大应变法确定义的损伤变量可以统一描述等速/不等速循环冲击损伤演化规律,损伤度等于0.45是加速破坏的阈值。(4)基于连续损伤力学,建立了应变、应变率相关的损伤演化方程;基于等效应变假设,构建弱风化花岗岩的分段动态损伤演化本构模型,并讨论了多种强度准则,及其在岩土爆破设计中装药量、压碎圈半径和周边控制爆破孔内装药参数计算。
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