【摘 要】
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随着我国综合国力的日益提升,地下空间工程的建设开发提上日程,在其沿线开展的地下资源开采以及地下工程修建工作中都不可避免的涉及到岩体的变形问题,随着地下工程开挖深度的增加,相应的工程技术难度将加大并伴随一系列工程地质灾害,其中深部岩体的变形问题尤为突出,具体可表现为岩石的静态破坏以及动态破坏。本文开展对岩石试件的动静力学试验研究,对预制孔洞大理岩试件进行静态单轴压缩试验,并用DIC监测系统对试验过程
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随着我国综合国力的日益提升,地下空间工程的建设开发提上日程,在其沿线开展的地下资源开采以及地下工程修建工作中都不可避免的涉及到岩体的变形问题,随着地下工程开挖深度的增加,相应的工程技术难度将加大并伴随一系列工程地质灾害,其中深部岩体的变形问题尤为突出,具体可表现为岩石的静态破坏以及动态破坏。本文开展对岩石试件的动静力学试验研究,对预制孔洞大理岩试件进行静态单轴压缩试验,并用DIC监测系统对试验过程进行实时观测,试验中获取单轴压缩试验数据和DIC试验数据,得到岩石试件的宏观破坏特征及裂纹扩展规律,获得岩石试件破坏全过程的应变场演化规律。同时运用RFPA开展数值试验,对静力学物理试验的准确性进行验证。动力学试验中采用SHPB试验系统开展砂岩试件的冲击压缩以及动态劈裂试验,获取相应的应力波曲线以及应变率时程曲线。利用RFPA动力学版构建数值试件,探究直角三角形应力波传播规律。从损伤力学和断裂力学两个维度讨论静力学试验岩石试件破裂破坏过程,简单阐述了动力学试验中的剥落现象及其机理。取得了如下成果:(1)静力学物理试验中,材质为白色大理岩的开圆形孔洞试件其单轴抗压强度以及所测峰值应力数据的离散性随开孔直径增大而减小。材质为白色大理岩的开椭圆形孔洞试件的单轴抗压强度则与其所开孔洞的长短轴之比相关,当椭圆形孔洞的长短轴之比大于1时,当比值增大时单轴抗压强度增大。长短轴之比小于1时,随比值增大,单轴抗压强度有先增后减的规律。长短轴之比为1时同组试件试验结果的峰值应力离散性最小,以长短轴之比1为边界,随着长短轴之比大于或小于1,且随该数值增大或减小,所测峰值应力的离散性增大。(2)开孔大理岩试件的主要破坏类型为拉剪破坏,宏观破坏带呈现为以孔洞为中心的“X”或者半“X”形。试验过程所得应变场演化云图表明应变场局部化区是以各岩石试件孔洞为中心并呈现“X”或者半“X”形,应变场局部化区通常为岩石试件表面裂纹萌生、扩展以及贯通的区域。(3)静态单轴压缩数值模拟试验表明加载过程中最大剪应力场沿孔周呈半“X”型分布,试件在沿圆孔y轴径向方向破裂,产生由圆孔两端向试件两端延伸的裂纹,与物理试验半“X”型宏观破坏裂纹一致。利用数值试验的X向位移场,将整个加载过程的微观破裂发展及其位移场演变,区分为3个重要阶段:破裂均衡性随机发展、破裂非均衡性发展、破裂局部化及其宏观破裂发展,与物理试验中基于应力应变曲线对试件单轴压缩加载过程的划分相对应。数值试验的声发射场中,红色拉伸破坏声发射圆沿试件主裂纹呈半“X”型和“π”型分布,沿主裂纹也分布着少量小半径白色压剪破坏声发射圆,证明静态单轴压缩中试件的破坏是拉剪破坏为主。(4)单轴冲击压缩应力波形曲线中反射应力和入射应力符号相反说明在实验中压缩波形转变为拉伸波形,而入射应力波形峰值则随冲击压力的提高而上升,同时试件应变率也上升,试件破碎程度增加。在相同载荷条件下,入射波形基本相同,近似为梯形波,但动态劈裂拉伸试验的波形改变与试块破碎形状变化密切相关,试块加载处有局部破碎现象,破碎面积随冲击压力的增加而扩大,试块入射端面破碎区域面积明显超过透射端面。(5)动态劈裂拉伸与静态劈裂拉伸对比得出,动态试验试件的破坏形态以存在三条沿径向分布的裂纹为主要形式,且碎片数量比静态试验多,尺寸也更细小,静态试验的破坏裂纹为沿试件径向分布,数量只有一条。(6)通过使用RFPA软件构建的数值试件,对其施加不同的动力学载荷进行了研究,结果表明不同形状、同一波形且同样延续时间但不同峰值、同一波形且同样峰值但不同延续时间的应力波的本质区别是它们在同一时间内产生了不同的应变速率以及不同应力值大小从而导致了应力波对介质的影响效果是各不相同的。(7)岩石试件在试验过程中的损伤程度可通过声发射场和温度场的演化间接表示。
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