岩石动态冲击劈裂作用下断裂特性的实验和数值模拟研究

研究岩石在遭受动态冲击劈裂作用下，其内部裂纹抵抗断裂的能力和裂纹扩展规律对于揭示矿井冲击地压机理以及岩体发生动态破坏的机理具有重要的意义。申请项目基于动力学和线弹性断裂力学的有关理论，拟采用岩石圆盘试件，在大直径分离霍普金森压杆上，对不同直径尺寸的相似试件进行径向冲击劈裂试验。借助动态有限元分析技术，建立包括压杆和试件在内的三维有限元动态数值模型，考察圆盘试件在一定动态加载速率下，应力波经由弹性压杆传播至圆盘试件的整个传播规律。同时研究不同输入波形，不同的试件尺寸以及圆盘试件端部加载方式对于试件两端应力平衡和在试件中应力波传播规律的影响，确立试件满足应力平衡的数学指标。通过理论、试验和数值方法的研究，建立不需要满足应力平衡条件的岩石动态断裂韧度的确定方法。并结合应变片技术，动态摄像仪以及扫描电镜等检测手段，研究动态冲击下岩石试件裂纹的起裂扩展破坏规律。

在许多工程实践问题中，如地震预报研究，矿块崩落分析，工程爆破设计等，都涉及到岩石的动态破坏，因此，研究岩石内部裂纹抵抗动态作用断裂的能力和裂纹扩展规律非常必要。为此首先提出了一套在大理岩上加工预制裂缝宽度在1mm以下的制作方法，并在SHPB分离式霍普金森压杆系统上对圆盘试件进行了径向冲击劈裂实验。基于岩石力学、线弹性断裂力学和动力学的有关理论，借助ANSYS动态有限元技术，分析了圆盘试件动态加载过程中，应力波经由弹性压杆传播至圆盘试件的整个传播规律。同时研究不同输入波形、不同构型圆盘试件尺寸以及圆盘试件端部加载方式对于试件中应力波传播规律的影响。建立了考察圆盘试件应力平衡度量计算公式，对应力平衡性进行了分析。研究表明，矩形加载波在传播过程中弥散严重，而半正弦加载波能够很好满足一维性假定，可作为岩石等材料动态冲击实验中的理想加载波形。圆盘试件入射端平台各点动态应力一致，但透射端平台上不同节点的动态应力差异较大，圆盘试件加载直径韧带上节点应力平衡的度量值最高达160%，试件加载直径上对称部分节点的应力始终无法达到应力平衡。预制裂缝对于应力波的干扰以及圆盘加载平台面积与SHPB压杆截面积比值较小，是圆盘试件在破坏之前无法达到应力平衡的主要原因。利用应变片监测方法获得试件的起裂时间，用实验—数值方法确定岩石的动态断裂韧度。试验结果表明，选取何种方法对实验数据后处理得到不同的动态载荷，是实验—数值方法的关键。三波法基于把压杆和试件作为系统确定动态载荷，从入射杆和透射杆的信号系统综合考量确定动态载荷相对较为合理。中心孔径和预制裂缝长度对于大理岩动态断裂韧度测试值的影响并不明显，试件厚度对起裂时间确定的影响较大应给予考虑，试件裂纹前缘各点及平面分析所确定的动态断裂韧度值之间差异较大。从高速摄像仪捕捉到的试件破坏情况表明，圆盘试件在动态冲击加载的试验中，最先起裂位置在预制裂纹尖端，裂纹起裂后基本上沿加载直径对称延伸到加载端部的同时，试件由于受到持续不断增加的脉冲载荷，在试件横向的表面也萌生裂纹扩展至圆孔周围导致试件失效破裂。另外，中心孔径较小的圆盘试件在冲击载荷作用下，更容易诱发较多的次生裂纹来消耗不断增加的入射脉冲。研究成果对于揭示岩石动态破坏机理和指导工程实践具有重要的意义。