沖擊荷載下巖石強度及破碎能耗特征的尺寸效應研究.pdf

1、尺寸效應是一切物理理論中最重要的方面。目前，有關靜載作用下材料強度的尺寸效應研究已取得了豐碩的成果。然而，在礦巖破碎、油井致裂、高速沖擊、打樁、彈丸撞靶、常規(guī)爆炸及核爆炸下的防護等工程領域和諸如地震、滑坡、崩塌等地質災害防治領域都涉及到材料特別是巖石類準脆性材料的動力特性問題，可以說材料的動態(tài)力學特性和靜態(tài)力學特性同等重要。但關于材料動態(tài)力學特性的尺寸效應的研究極少，可以說剛剛起步。為此，本文作者在國家自然科學基金的資助下，以沖擊荷載下

2、巖石強度及破碎能耗特征的尺寸效應為研究課題，對SHPB試驗技術及巖石試樣的加載應變率、強度、破碎塊度、能量的構成與耗散特征的尺寸效應等問題進行了系統(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試驗裝置。對應于不同桿徑的SHPB試驗裝置，設計并加工了能實現(xiàn)半正弦應力波加載的異形沖頭系列?；赩isual C++平臺，改進了原有用于50mm和75mm桿徑SHPB沖擊試驗的數(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)分析處理軟件對測試信號任意采樣間隔的識別能力。針對SHPB測試信號存在噪聲污染的情況，考慮SHPB信號非平穩(wěn)、延時短、突變快等特性，確定Symlets小波系中Sym5為適合SHPB測試信號分析的最佳小波基，利用小波變換技術的閾值去噪法有效地過濾了SHPB信號中的高斯白噪。 其次，根據(jù)一維應力波理論，進一步對比分析了SHPB試驗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力均勻化過程。從試樣

4、達到應力平衡所需時間的快慢及達到平衡狀態(tài)所對應的無量綱應力值的大小兩方面考慮，論證了半正弦入射波加載方式對于低強度彈脆性材料動態(tài)特性的測試具有顯著優(yōu)勢。 在加載應變率方面，基于Steverding-Lehnik脆性斷裂準則，分析得出了半正弦波加載條件下SHPB桿徑與導致試樣單次沖擊破壞的最低加載應變率之間的關系，并通過不同尺寸的花崗巖、砂巖和石灰?guī)r試樣的沖擊試驗對此進行了驗證，得出增大Hopkinson桿徑到合適尺寸是實現(xiàn)巖石中

5、等應變率加載的有效途徑。 在強度方面，通過采用波長與試樣長度呈定比例的半正弦應力波形，對不同尺寸規(guī)格的花崗巖、砂巖和石灰?guī)r等三種典型巖石試件進行SHPB沖擊試驗，分析了巖石動態(tài)強度與其應變率依賴靈敏性的尺寸效應。并在計及介質微元體慣性效應的基礎上，采用FLAC3D軟件對不同尺寸的試樣在不同應變率條件下的動態(tài)強度進行了分析計算。 在破碎塊度及耗能方面，通過對不同尺寸的花崗巖、砂巖和石灰?guī)r在不同沖擊能量下的SHPB沖擊破碎試

6、驗，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系，及其受尺寸影響的變化規(guī)律。 最后，通過簡化SHPB單軸沖擊試驗中試樣的受力特征，采用滑移型裂紋模型，結合裂紋的動態(tài)斷裂準則，對比分析了不同尺寸試樣的動態(tài)斷裂韌度與應變率的關系，以及巖石沖擊破碎過程中的能量構成和耗散特征。 本文所做研究工作，立足于學科前沿，對SHPB沖擊加載試驗技術及巖石動態(tài)特性的尺寸效應問題進行了研究，具有較高的