巖石類材料的動態(tài)性能研究.pdf

1、巖石類材料動態(tài)力學特性的研究是巖石力學較為基礎(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，巖石類材料的動態(tài)力學特性的研究有了較大的發(fā)展。 與巖石類材料的靜力學相比，其動力學問題在實驗研究和力學分析上要復(fù)雜得多，物理和數(shù)學處理上也困難得多，因此到目前為止巖石類材料在動態(tài)實驗研究和動力學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荷載作用下的強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驗研究方面，而且大部分限于中低應(yīng)變率下簡單應(yīng)力作用的實驗研究，因此對其進行實驗與理論相結(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行了中高應(yīng)變率下的單軸沖擊壓縮和動態(tài)巴西圓盤實驗。 從動態(tài)實驗研究出發(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)與宏觀動態(tài)力學特性的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，從宏觀和微觀兩個角度對巖石類材料的動態(tài)力學特性進行充分地研究。 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態(tài)單軸荷載作

4、用下的實驗研究。針對巖石類材料的特性采用黃銅波形整形器改進了SHPB裝置，有效地避免了加載沖擊荷載時，脆性材料在內(nèi)部應(yīng)力達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驗數(shù)據(jù)帶來的波動。利用改進后的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)變率下進行了動態(tài)單軸壓縮實驗和動態(tài)巴西圓盤實驗。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度、破壞程度、能量吸收以及沖擊拉伸強度等動態(tài)力學性能有較強的應(yīng)變率相關(guān)性

5、，而材料的彈性模量、動態(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態(tài)斷裂性能研究。在實驗的基礎(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)決定了最易擴展的初始裂紋角度；正則化動態(tài)應(yīng)力強度因子隨著裂紋間距的增加而減??；動態(tài)應(yīng)力強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態(tài)本構(gòu)模型研究。通過考慮應(yīng)變率強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態(tài)彈性損傷本構(gòu)方程，并通過標準應(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態(tài)力學特

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