重復爆破荷載作用下巖石動態(tài)疲勞損傷特性研究

隨著地下資源開采和國防防護等工程開挖深度的不斷增加，處于地應力環(huán)境中的巖體在爆炸、高速沖擊等作用下的動態(tài)響應過程趨于復雜。本研究采用理論分析、實驗測試和數(shù)值模擬相結合的方法對主動圍壓和爆炸作用下巖石的破碎過程和損傷累積等進行研究，得出如下結論： （1）設計并試制能夠模仿重復爆破荷載條件下巖石動態(tài)疲勞損傷特性的試驗裝置。該裝置可提供準靜態(tài)雙軸圍壓，并保證壓力穩(wěn)定性。爆炸加載而采取平面波發(fā)生器單向加載和試件中心炮孔加載兩種方式，后者選取小直徑藥柱和低能導爆索，通過耦合和不耦合裝藥方式來調節(jié)爆炸荷載。利用超動態(tài)應變和高速攝像測試系統(tǒng)，對巖石內部變形及裂紋擴展等動態(tài)響應過程進行觀測。 （2）對均勻圍壓和爆炸作用下巖石動態(tài)響應研究發(fā)現(xiàn)：圍壓在圓柱試件的環(huán)向形成壓應力，減弱了爆炸應力波產(chǎn)生的環(huán)向拉伸破壞。破碎區(qū)半徑、裂紋數(shù)目和裂紋幾何尺寸隨著圍壓增大顯著減小。隨著距爆炸中心越遠，應力波強度降低，圍壓對徑向裂紋的止裂作用增強。同時，結合彈性力學和柱面應力波相關理論分析，得到圍壓在孔壁附近產(chǎn)生環(huán)向壓應力，減小了爆炸形成的拉伸破壞，這一結論與實驗結果相符。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，爆炸后巖石的Von Mises應力隨圍壓的升高而增強，而環(huán)向拉伸破壞隨圍壓的升高而減弱。 （3）對重復爆炸實驗研究中，在首次爆炸作用下，試件主要發(fā)生彈性變形，巖石內部沒有產(chǎn)生損傷。隨著加載次數(shù)增加，孔壁附近區(qū)域逐漸產(chǎn)生塑性變形，巖石內微裂隙開始萌生、合并。在最后一次爆炸加載，峰值應變突然增大，微裂紋快速成長為貫穿裂紋，造成試件脆性斷裂失效。 （4）損傷D在0～0.4，彈塑性變形對試件整體的力學特征影響較小。D>0.5時，巖石產(chǎn)生不可逆的局部失效，內部損傷隨加載次數(shù)遞增，試件保持整體完整。D>0.6時，損傷累積超過極限，裂紋擴展造成巖石斷裂。 （5）在爆炸應力波作用下，巖石的破壞過程和加載時間緊密關聯(lián)。爆炸應力波持續(xù)時間較短，在巖石內部形成的損傷沒有足夠時間累積，單次加載下試件不會發(fā)生整體宏觀失效。在多次加載下，損傷范圍和程度逐漸增大，最終導致試件破碎。均勻圍壓在形成壓應力場，可以有效阻礙微裂隙生長，提高試件強度。 2100433B

本課題針對巖石開挖工程廣泛關注的爆區(qū)附近圍巖穩(wěn)定問題,開展重復爆破荷載條件下巖石動態(tài)疲勞損傷特性研究。通過設計一套實現(xiàn)重復爆破荷載加載試驗裝置進行試驗，研究重復爆破荷載彈性波作用下巖體疲勞損傷特征、裂紋分形演化和疲勞強度變化規(guī)律，將裂紋擴展規(guī)律和疲勞累積損傷演化統(tǒng)一起來，定義與多次爆破載荷相對應的疲勞損傷因子；并進一步分析研究疲勞參數(shù)對巖石疲勞劣化的機理和對巖石疲勞損傷壽命的影響。通過編制XFEM（擴展有限元）程序對巖石動態(tài)疲勞損傷特性、斷裂特性和裂紋擴展進行數(shù)值模擬研究，為巖石開挖工程圍巖安全控制提供科學依據(jù)和實用手段。

巖體在周期荷載作用下的力學性能是影響巖體工程長期穩(wěn)定性的重要因素之一，研究周期荷載作用下巖石的疲勞變形特性及損傷演化規(guī)律，有助于正確認識巖體的破壞機理，科學地評價巖體的長期穩(wěn)定性。本項目以裂隙巖石注漿加固體為研究對象，對注漿加固體的疲勞破壞機理以及損傷演化規(guī)律進行基礎科學研究。通過裂隙巖石注漿加固后的靜動態(tài)加載實驗，分析注漿加固體的強度與變形規(guī)律，揭示裂隙巖石注漿加固后的靜態(tài)加載破壞機理。研究疲勞破壞過程中不可逆變形的變化規(guī)律，探討疲勞損傷累積量的影響因素以及影響規(guī)律，對比靜態(tài)破壞機理、原裂隙巖石疲勞破壞機理，揭示注漿加固后的疲勞破壞機理。觀測殘余塑性變形、剩余強度和壽命隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，建立循環(huán)次數(shù)與殘余塑性應變之間的對應關系，利用殘余應變差來定義損傷變量，推導損傷演化方程，對承受循環(huán)荷載作用的注漿加固巖體進行剩余壽命預測，為采礦、隧道、邊坡等巖土工程注漿加固提供理論和實驗依據(jù)。

流變是巖石的重要力學特性之一，在巖石的流變過程中，不僅存在流變變形。也會引起損傷，即螨變損傷。巖石的蠕變損傷是連續(xù)損傷，因而可用連續(xù)損傷理論及相應的損傷演變力程， 但必須反映蠕變的非線性過程及速率變化的影響，即蠕變的力學模型。

所謂結構疲勞損傷，是指由于重復荷載作用而引起的結構材料性能衰減的過程，也就是通常所說的疲勞裂紋的發(fā)生、發(fā)展、形成宏觀裂紋、發(fā)生破壞的全過程。疲勞損傷與普通損傷的最大區(qū)別在于隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞中的損傷存在一個累積的過程。