壓痕作用下巖石開(kāi)裂機(jī)理及刀間距優(yōu)化初步研究.pdf

1、實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn),在刀具侵入巖體的過(guò)程中,巖體在刀具下形成的壓實(shí)區(qū)周?chē)植贾鞣N裂紋形核,如赫茲裂紋、中間裂紋和徑向裂紋以及橫向裂紋。其中由卸載引起的橫向裂紋會(huì)向表面擴(kuò)展或和其它裂紋貫通形成巖石碎塊,實(shí)現(xiàn)破巖。因此橫向裂紋對(duì)巖體破碎過(guò)程起關(guān)鍵作用。基于這一點(diǎn),本文研究了壓痕作用下平行于表面的圓幣型裂紋問(wèn)題?？紤]在半無(wú)限大空間表面作用球形壓頭,采用空腔膨脹模型描述壓痕引起的非彈性變形區(qū),得到非彈性變形區(qū)外應(yīng)力場(chǎng)。假設(shè)卸載過(guò)程中材料發(fā)生彈性變形

2、,則可以描述為赫茲彈性接觸問(wèn)題的反過(guò)程。從而可以得到加載和卸載應(yīng)力場(chǎng)。相應(yīng)地,圓幣型橫向裂紋問(wèn)題可化為求解一組柯西型奇異積分方程,通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子和能量釋放率。對(duì)于巖石材料的非彈性變形,本文采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則描述,考查了巖石膨脹角以及卸載水平對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子及能量釋放率的影響。得到壓痕載荷與橫向裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系。根據(jù)比能在刀具破巖過(guò)程中的變化趨勢(shì),得到了比能最小值對(duì)應(yīng)的臨界橫向裂紋長(zhǎng)度,估計(jì)了破巖的優(yōu)