沖擊荷載下巖石強(qiáng)度及破碎能耗特征的尺寸效應(yīng)研究.pdf

1、尺寸效應(yīng)是一切物理理論中最重要的方面。目前，有關(guān)靜載作用下材料強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究已取得了豐碩的成果。然而，在礦巖破碎、油井致裂、高速沖擊、打樁、彈丸撞靶、常規(guī)爆炸及核爆炸下的防護(hù)等工程領(lǐng)域和諸如地震、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域都涉及到材料特別是巖石類準(zhǔn)脆性材料的動力特性問題，可以說材料的動態(tài)力學(xué)特性和靜態(tài)力學(xué)特性同等重要。但關(guān)于材料動態(tài)力學(xué)特性的尺寸效應(yīng)的研究極少，可以說剛剛起步。為此，本文作者在國家自然科學(xué)基金的資助下，以沖擊荷載下

2、巖石強(qiáng)度及破碎能耗特征的尺寸效應(yīng)為研究課題，對SHPB試驗技術(shù)及巖石試樣的加載應(yīng)變率、強(qiáng)度、破碎塊度、能量的構(gòu)成與耗散特征的尺寸效應(yīng)等問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 首先，本文作者改造完善了22mm、36mm、50mm和75mm等四種桿徑系列的SHPB試驗裝置。對應(yīng)于不同桿徑的SHPB試驗裝置，設(shè)計并加工了能實現(xiàn)半正弦應(yīng)力波加載的異形沖頭系列?；赩isual C++平臺，改進(jìn)了原有用于50mm和75mm桿徑SHPB沖擊試驗的數(shù)據(jù)分析處

3、理軟件，增加了主體界面功能，添加數(shù)據(jù)分析處理軟件對測試信號任意采樣間隔的識別能力。針對SHPB測試信號存在噪聲污染的情況，考慮SHPB信號非平穩(wěn)、延時短、突變快等特性，確定Symlets小波系中Sym5為適合SHPB測試信號分析的最佳小波基，利用小波變換技術(shù)的閾值去噪法有效地過濾了SHPB信號中的高斯白噪。 其次，根據(jù)一維應(yīng)力波理論，進(jìn)一步對比分析了SHPB試驗中半正弦入射波和傳統(tǒng)的矩形入射波加載條件下試樣應(yīng)力均勻化過程。從試樣

4、達(dá)到應(yīng)力平衡所需時間的快慢及達(dá)到平衡狀態(tài)所對應(yīng)的無量綱應(yīng)力值的大小兩方面考慮，論證了半正弦入射波加載方式對于低強(qiáng)度彈脆性材料動態(tài)特性的測試具有顯著優(yōu)勢。 在加載應(yīng)變率方面，基于Steverding-Lehnik脆性斷裂準(zhǔn)則，分析得出了半正弦波加載條件下SHPB桿徑與導(dǎo)致試樣單次沖擊破壞的最低加載應(yīng)變率之間的關(guān)系，并通過不同尺寸的花崗巖、砂巖和石灰?guī)r試樣的沖擊試驗對此進(jìn)行了驗證，得出增大Hopkinson桿徑到合適尺寸是實現(xiàn)巖石中

5、等應(yīng)變率加載的有效途徑。 在強(qiáng)度方面，通過采用波長與試樣長度呈定比例的半正弦應(yīng)力波形，對不同尺寸規(guī)格的花崗巖、砂巖和石灰?guī)r等三種典型巖石試件進(jìn)行SHPB沖擊試驗，分析了巖石動態(tài)強(qiáng)度與其應(yīng)變率依賴靈敏性的尺寸效應(yīng)。并在計及介質(zhì)微元體慣性效應(yīng)的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D軟件對不同尺寸的試樣在不同應(yīng)變率條件下的動態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行了分析計算。 在破碎塊度及耗能方面，通過對不同尺寸的花崗巖、砂巖和石灰?guī)r在不同沖擊能量下的SHPB沖擊破碎試

6、驗，揭示了不同尺寸的巖石試樣在入射能、巖石的破碎吸能、破碎的耗能密度及碎塊分布特征間的關(guān)系，及其受尺寸影響的變化規(guī)律。 最后，通過簡化SHPB單軸沖擊試驗中試樣的受力特征，采用滑移型裂紋模型，結(jié)合裂紋的動態(tài)斷裂準(zhǔn)則，對比分析了不同尺寸試樣的動態(tài)斷裂韌度與應(yīng)變率的關(guān)系，以及巖石沖擊破碎過程中的能量構(gòu)成和耗散特征。 本文所做研究工作，立足于學(xué)科前沿，對SHPB沖擊加載試驗技術(shù)及巖石動態(tài)特性的尺寸效應(yīng)問題進(jìn)行了研究，具有較高的