温度后岩石动态压缩力学性能实验和数值模拟研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuyu198995
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岩石材料应用广泛,在深部矿床开采、地热资源开发、高放射性核废料深埋处置及地下隧道灾后重建等工程中,其不仅受到动态荷载作用,还受到温度作用的影响,所以研究温度作用后岩石的动态力学响应尤其重要。本文以实验为主,数值模拟为辅,对温度后黑云母花岗岩的动力学行为与能量特性开展研究,主要工作与相关结论如下:首先,采用Φ50mm直锥变截面分离式霍普金森压杆(SHPB),对升温处理后花岗岩的动态力学特性及其破坏形态进行研究。结果表明,入射波的幅值随冲击速度提高而增大,透射波和反射波幅值与试样破坏状态有关;500℃和700℃试样的应力-应变曲线形态差异明显,说明花岗岩在500℃~700℃之间存在着热损伤的温度阈值;冲击速度相同时,应变率随温度先略微减小而后逐渐增大。保持温度不变,应变率随冲击速度提高而线性增加;花岗岩试样的弹性模量与应变率之间相关性不明显,而峰值应力和峰值应变均具有显著的应变率效应;500℃以内时,温度对峰值应力与峰值应变影响较小,而700℃和900℃下,二者的温度效应均十分明显。接着,基于温度作用后花岗岩的动态冲击实验和静态单轴压缩实验,研究了其在变形破坏过程中的能量演化机制。结果显示,花岗岩动态压缩中耗能特性具有明显的加载率效应,即冲击速度越高,应变率越大,试样的破碎程度越严重,且冲击过程中试样的耗散能越多;无论在动态压缩还是静态压缩实验中,岩样的耗能密度与能量利用率随试样处理温度的变化规律基本相同;静动态实验中能量利用率均较低,一般不超过35%。最后,给出了花岗岩Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型参数确定的方法,对花岗岩试样的SHPB实验进行数值模拟,得到的岩石应力-应变曲线以及最终破坏形态与实验结果比较吻合,从而验证了花岗岩HJC模型参数确定方法的可靠性,以及该本构在描述花岗岩动力学特性方面的可行性。同时发现随着子弹冲击速度的提高,花岗岩试样的峰值应力和峰值应变随之增大,其破坏程度加剧。
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