沖擊荷載下巖石強(qiáng)度及破碎能耗特征的尺寸效應(yīng)研究.pdf

1、尺寸效應(yīng)是一切物理理論中最重要的方面。目前，有關(guān)靜載作用下材料強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)研究已取得了豐碩的成果。然而，在礦巖破碎、油井致裂、高速?zèng)_擊、打樁、彈丸撞靶、常規(guī)爆炸及核爆炸下的防護(hù)等工程領(lǐng)域和諸如地震、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域都涉及到材料特別是巖石類準(zhǔn)脆性材料的動(dòng)力特性問(wèn)題，可以說(shuō)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性和靜態(tài)力學(xué)特性同等重要。但關(guān)于材料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的尺寸效應(yīng)的研究極少，可以說(shuō)剛剛起步。為此，本文作者在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，以沖擊荷載下

2、巖石強(qiáng)度及破碎能耗特征的尺寸效應(yīng)為研究課題，對(duì)SHPB試驗(yàn)技術(shù)及巖石試樣的加載應(yīng)變率、強(qiáng)度、破碎塊度、能量的構(gòu)成與耗散特征的尺寸效應(yīng)等問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 首先，本文作者改造完善了22mm、36mm、50mm和75mm等四種桿徑系列的SHPB試驗(yàn)裝置。對(duì)應(yīng)于不同桿徑的SHPB試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)并加工了能實(shí)現(xiàn)半正弦應(yīng)力波加載的異形沖頭系列。基于Visual C++平臺(tái)，改進(jìn)了原有用于50mm和75mm桿徑SHPB沖擊試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析處

3、理軟件，增加了主體界面功能，添加數(shù)據(jù)分析處理軟件對(duì)測(cè)試信號(hào)任意采樣間隔的識(shí)別能力。針對(duì)SHPB測(cè)試信號(hào)存在噪聲污染的情況，考慮SHPB信號(hào)非平穩(wěn)、延時(shí)短、突變快等特性，確定Symlets小波系中Sym5為適合SHPB測(cè)試信號(hào)分析的最佳小波基，利用小波變換技術(shù)的閾值去噪法有效地過(guò)濾了SHPB信號(hào)中的高斯白噪。 其次，根據(jù)一維應(yīng)力波理論，進(jìn)一步對(duì)比分析了SHPB試驗(yàn)中半正弦入射波和傳統(tǒng)的矩形入射波加載條件下試樣應(yīng)力均勻化過(guò)程。從試樣

4、達(dá)到應(yīng)力平衡所需時(shí)間的快慢及達(dá)到平衡狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱應(yīng)力值的大小兩方面考慮，論證了半正弦入射波加載方式對(duì)于低強(qiáng)度彈脆性材料動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試具有顯著優(yōu)勢(shì)。 在加載應(yīng)變率方面，基于Steverding-Lehnik脆性斷裂準(zhǔn)則，分析得出了半正弦波加載條件下SHPB桿徑與導(dǎo)致試樣單次沖擊破壞的最低加載應(yīng)變率之間的關(guān)系，并通過(guò)不同尺寸的花崗巖、砂巖和石灰?guī)r試樣的沖擊試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證，得出增大Hopkinson桿徑到合適尺寸是實(shí)現(xiàn)巖石中

5、等應(yīng)變率加載的有效途徑。 在強(qiáng)度方面，通過(guò)采用波長(zhǎng)與試樣長(zhǎng)度呈定比例的半正弦應(yīng)力波形，對(duì)不同尺寸規(guī)格的花崗巖、砂巖和石灰?guī)r等三種典型巖石試件進(jìn)行SHPB沖擊試驗(yàn)，分析了巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與其應(yīng)變率依賴靈敏性的尺寸效應(yīng)。并在計(jì)及介質(zhì)微元體慣性效應(yīng)的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D軟件對(duì)不同尺寸的試樣在不同應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行了分析計(jì)算。 在破碎塊度及耗能方面，通過(guò)對(duì)不同尺寸的花崗巖、砂巖和石灰?guī)r在不同沖擊能量下的SHPB沖擊破碎試

6、驗(yàn)，揭示了不同尺寸的巖石試樣在入射能、巖石的破碎吸能、破碎的耗能密度及碎塊分布特征間的關(guān)系，及其受尺寸影響的變化規(guī)律。 最后，通過(guò)簡(jiǎn)化SHPB單軸沖擊試驗(yàn)中試樣的受力特征，采用滑移型裂紋模型，結(jié)合裂紋的動(dòng)態(tài)斷裂準(zhǔn)則，對(duì)比分析了不同尺寸試樣的動(dòng)態(tài)斷裂韌度與應(yīng)變率的關(guān)系，以及巖石沖擊破碎過(guò)程中的能量構(gòu)成和耗散特征。 本文所做研究工作，立足于學(xué)科前沿，對(duì)SHPB沖擊加載試驗(yàn)技術(shù)及巖石動(dòng)態(tài)特性的尺寸效應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了研究，具有較高的