巖石類材料的動(dòng)態(tài)性能研究.pdf

1、巖石類材料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的研究是巖石力學(xué)較為基礎(chǔ)的研究分支，這方面的工作較早源于原子能設(shè)施安全防護(hù)以及地震工程的研究。隨著工程爆破在巖礦開采、地下洞室的營造以及場平開挖等工程中的廣泛應(yīng)用，巖石類材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的研究有了較大的發(fā)展。 與巖石類材料的靜力學(xué)相比，其動(dòng)力學(xué)問題在實(shí)驗(yàn)研究和力學(xué)分析上要復(fù)雜得多，物理和數(shù)學(xué)處理上也困難得多，因此到目前為止巖石類材料在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究和動(dòng)力學(xué)理論分析上還處于不成熟階段，某些研究領(lǐng)域還僅僅處于起

2、步階段。 雖然國內(nèi)外研究人員對巖石類材料在動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)度和變形特性做了一些卓有成效的工作，但這些工作主要集中在實(shí)驗(yàn)研究方面，而且大部分限于中低應(yīng)變率下簡單應(yīng)力作用的實(shí)驗(yàn)研究，因此對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的系統(tǒng)研究是十分必要的。 本文采用純銅波形整形器改進(jìn)后的分離式Hopkinson壓桿裝置(SHPB)，分別對新加坡地區(qū)的花崗巖和混凝土試件進(jìn)行了中高應(yīng)變率下的單軸沖擊壓縮和動(dòng)態(tài)巴西圓盤實(shí)驗(yàn)。 從動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究出發(fā)

3、，結(jié)合考慮多裂紋相互作用的滑移型裂紋模型、元件模型理論、反演分析以及數(shù)值計(jì)算等理論分析方法，將材料的微觀特征與宏觀現(xiàn)象相結(jié)合、理性與物性相結(jié)合，研究巖石類材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與宏觀動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，從宏觀和微觀兩個(gè)角度對巖石類材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行充分地研究。 旨在提出能為工程界所接受，便于數(shù)值分析的考慮損傷的巖石類材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型及其研究方法。本文的研究內(nèi)容和結(jié)果為： (1)花崗巖和混凝土材料在動(dòng)態(tài)單軸荷載作

4、用下的實(shí)驗(yàn)研究。針對巖石類材料的特性采用黃銅波形整形器改進(jìn)了SHPB裝置，有效地避免了加載沖擊荷載時(shí)，脆性材料在內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到均衡之前過早的破壞，并且有效地降低了應(yīng)力波的高頻震蕩給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來的波動(dòng)。利用改進(jìn)后的SHPB裝置對新加坡地區(qū)的花崗巖和混凝土試件在不同應(yīng)變率下進(jìn)行了動(dòng)態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)巴西圓盤實(shí)驗(yàn)。研究表明在中高應(yīng)變率下，花崗巖和混凝土材料的單軸沖擊壓縮強(qiáng)度、破壞程度、能量吸收以及沖擊拉伸強(qiáng)度等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能有較強(qiáng)的應(yīng)變率相關(guān)性

5、，而材料的彈性模量、動(dòng)態(tài)破壞應(yīng)變、能量吸收率等參數(shù)可視為應(yīng)變率無關(guān)量； (2)花崗巖和混凝土材料的動(dòng)態(tài)斷裂性能研究。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用考慮多裂紋相互作用的滑移型裂紋模型，深入分析巖石類材料的微觀內(nèi)部缺陷對其宏觀動(dòng)態(tài)斷裂特性的影響。分析表明裂紋面的摩擦系數(shù)決定了最易擴(kuò)展的初始裂紋角度；正則化動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂紋間距的增加而減?。粍?dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋初始長度成正比；隨著應(yīng)變率的增加，臨界裂紋初始長度有減小的趨勢等；

6、(3)花崗巖和混凝土材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型研究。通過考慮應(yīng)變率強(qiáng)化因子和損傷弱化因子修正靜態(tài)線彈性和非彈性本構(gòu)模型，建立巖石類材料的動(dòng)態(tài)彈性損傷本構(gòu)方程，并通過標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的幾何特征初步確定出本構(gòu)方程的部分參數(shù)；在總結(jié)現(xiàn)有元件模型以及巖石類材料力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，通過彈性元件、粘元件、塑性元件以及損傷元件的串并聯(lián)組合，建立了巖石類材料的粘彈塑性損傷動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，并推導(dǎo)出其微分形式的本構(gòu)方程； (4)花崗巖和混凝土材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特

7、性反演分析。用計(jì)算機(jī)語言C++，編寫基于下山法改進(jìn)的自適應(yīng)混合遺傳算法的反演分析程序。結(jié)合SHPB實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對花崗巖和混凝土材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系中的待定參數(shù)進(jìn)行了反演分析。通過對再生應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的比較分析，證明該反演算法的參數(shù)識辨能力可以很好的滿足SHPB實(shí)驗(yàn)的精度要求，并且驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型對于巖石類材料的適用性。 (5)花崗巖和混凝土材料的動(dòng)態(tài)特性數(shù)值分析。結(jié)合巖石類材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，分別建立了應(yīng)力波在考慮損傷的非