单次冲击加卸载后岩石全程动态本构特性及应用研究

钻头牙齿破碎岩石形成齿坑后，齿坑周边和底部的岩石已经受到了一次冲击加载和卸载作用。研究单次冲击加卸载前、后岩石本构模型的变化规律，是提高钻头破岩效果所必须解决的基本问题。首先以渐增式循环加卸载方式，实验测定围压下岩石静态全程本构曲线，研究其弹性模量、初始屈服极限、峰值应力和等效塑性断裂应变等参数的变化规律，提出围压、单次加卸载后的岩石全程静态本构关系的描述方法。然后实验测试围压下单次冲击加卸载前、后典型岩石的全程动态本构曲线，探讨围压、渐增式的单次冲击加卸载后的岩石损伤规律；接着研究单次冲击加卸载后的岩石冲击破碎全程动态本构关系的变化规律和理论描述方法。再后用复合破岩试验机研究单齿冲击破岩的力学参数、运动学参数与齿坑特征参数间的关系。最后基于上述全程静、动态本构模型和单齿冲击破岩试验成果，开发单齿冲击破岩数值仿真基础单元模块。该模块是钻头破岩仿真软件的核心技术之一，可推广至矿山开采等行业。

本项目在不同围压和循环加卸载方式下，测定了两种砂岩、一种灰岩和一种花岗岩的三轴压缩全程静态应力——应变曲线。经过研究发现：南充砂岩和武胜砂岩无论是加载弹性模量，还是卸载弹性模量都与国家标准GB/T23561所定义的弹性模量存在很大误差。其根本原因一个是岩石骨架本身的材料性能，另一个是岩石的孔隙度。为此，本项目提出了用“岩石骨架——孔隙结构模型”描述岩石力学行为的方法。首次定义了岩石骨架弹性模量和骨架波松比概念，与孔隙度概念一起作为特征参数描述岩石的力学行为。建立了一套新的比较严谨的研究岩石力学行为的理论与方法。基于骨架材料满足胡克定律，建立了岩石力学小变形理论；基于骨架体积不变假设，建立了岩石力学大变形理论。同时，建立了以孔隙度为基本参数的损伤理论。形成了一套基于岩石骨架——孔隙模型的岩石力学体系。经过理论计算结果与实验测试结果对比分析，发现有很好的吻合程度。该项成果预计将会推动岩石力学基础理论的深入研究，使岩石力学基础理论更加严谨，能更加简便地、更加精确地反映实际岩石的力学行为。.基于上述成果，研究了钻井破岩动力学特性，提出了Maxwell体、Bingham体和损伤体并联模型，导出了中低应变率下岩石动态损伤本构模型。将仿真结果与实测数值、原文献拟合曲线对比，结果表明该理论模型能够主动适应中低应变率两类情况，本构曲线和损伤变量的变化符合实际情况。. 经过对SHPB装置进行改造，并用砂岩和混凝土岩样研究了岩石和混凝土的层裂破坏规律，研究了试样结构外形与界面摩擦对SHPB装置实验性能的影响。结果表明：随着摩擦系数增加，界面摩擦将会导致三轴应力与LODE参数在SHPB试件中发生巨大变化。这说明，岩石中的裂纹或裂缝对试件中的三轴动应力将会产生重大影响，需要深入研究。.经过分析球形单齿冲击下岩石破碎坑的形貌，提出了对岩样分区建立力学模型的思想。推导了岩石破碎坑的密实区、开裂区、弹性区3个区域的应力与位移解析解。该理论不仅解释了岩石破碎坑的形成，而且也提供了一种分析牙齿冲击破岩力学模型。.基于ABAQUS 软件开发了PDC 齿切削破岩有限元仿真程序，对比研究了岩石切削损伤前、后的切削比功的变化后发现： PDC 齿在第一次切削加卸载作用后，会造成岩石损伤，使下一次切削的破岩效果有明显提高。用武胜砂岩、南充砂岩以及北碚灰岩三种岩样进行了PDC齿重复切削实验，也证实了该结论的正确性。