岩石类材料在高温后复杂应力作用下的动态力学性能研究

In order to study the impact strength of rock materials, dynamic failure mode, temperature, confining pressure, loading rate and the influence of material microstructure characteristics to the dynamic mechanical properties, using the split Hopkinson pressure bar (SHPB) improved by a wave shaper in this project, under different confining pressures, shock compression experiments on materials from different high-temperature processing including granite and limestone in Qinling Mountains, Shaanxi province and sandstone in the northern Shaanxi at high strain rates will be carried out. Combined with experimental research, using Professor Yu Maohong's unified strength theory considering tension and compression characteristics of the material and the influence of the intermediate principal stress, a dynamic unified failure criterion is established. Taking these as yielding conditions, visco-elastoplastic dynamic constitutive model of rock material in the complex stress state is presented. According to the experimental study and theoretical analysis, dynamic characteristic parameters of rock material back analysis is made by hybrid genetic-neural network algorithm with patter search to accelerate optimization process and also corresponding wave equation is derived. On this basis, combining optimization analysis method and finite element method, numerical calculation program of rock dynamic performance is written and can be used for theoretical study and engineering application. Through comparative analysis of engineering example, practicality and limitation of formulas and numerical analysis systems are verified.

本课题拟采用波形整形器改进的分离式Hopkinson压杆装置（SHPB），在不同围压下对不同高温处理过的陕西秦岭地区花岗岩、石灰岩，以及陕北砂岩进行高应变率冲击压缩实验，研究岩石类材料的抗冲击强度、泊松比、动态破坏模式等的率相关性规律，以及温度、围压、加载率和材料微结构特征对其动态力学性能的影响。结合实验研究，利用俞茂宏教授提出的能够同时考虑材料拉压特性和中间主应力影响的统一强度理论，建立动态统一破坏准则，以此为屈服条件，建立岩石类材料在复杂应力状态下的黏弹塑性动态本构模型。基于实验研究和理论分析，用嵌入模式搜索加速优化进程的混合遗传-神经网络算法对岩石类材料动力学特征参数进行反演分析，并推导出相应的波动方程，在此基础上，结合最优化分析方法和有限元法编制适用于理论研究和工程应用的岩石类材料动力学性能的数值计算程序。通过与工程实例对比分析，考察所建立的公式和数值分析系统的实用性及局限性。

本项目通过对不同高温(200-1200℃)加热和不同冷却方式处理过的商品混凝土（C35）、花岗岩等岩石类材料分别在不同围压（0、5Mpa、10Mpa、20Mpa）下进行了静力和高加载率（8.6m/s、14.6m/s、18.8m/s）冲击压缩及巴西劈裂试验，研究了岩石类材料的抗冲击压缩强度和劈裂拉伸强度、峰值应变、弹性模量、破坏模式等力学性能的率相关性规律，并揭示了温度、冷却方式、围压、加载率和材料微结构等因素对其静、动态力学性能的影响规律。试验研究表明：温度-冷却损伤弱化效应和围压及应变率强化效应的耦合作用对混凝土和花岗岩材料的静、动力学性能影响十分显著，总体上随着加载率和围压的增加，试件的强度等力学性能增加；随着加热温度的升高，试件的强度等力学性能衰减加剧；但不同状态下增加效应和衰减程度变化较为复杂。在自然冷却时，加热温度300℃以下，试件的抗压强度等有所增加；在300℃~800℃之间，随着加热温度的提高，强度等明显下降，表明温度损伤对于岩石类材料强度影响存在温度阈值（300℃左右），超过阈值衰减加速；当加热温度达到和超过800℃后，材料分解，试件的强度衰减更为显著。观察高温后试件的压缩破坏形式可以发现，随着加热温度和加载率的升高，破坏由压缩劈裂破坏向压缩酥裂破坏转变。在水冷却时，温度-冷却损伤的温度阈值增大（400℃左右），超过阈值试件的残余抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度等力学性能随温度升高而衰减程度大于自然冷却时的，而且脆性破坏更为明显。在试验研究的基础上，利用有限元方法进行岩石类材料动力学性能的数值模拟，更进一步研究了材料的裂纹扩展、应力应变重新分布等规律，从而揭示岩石类材料的微观损伤演化对宏观力学性能影响的机理。在试验和数值模拟研究基础上，构建了岩石类材料考虑温度损伤和应变率强化作用的动态本构模型，并用反演算法辨识出其动力学特征参数，推导出相应的波动方程。这些研究成果对于保障岩体工程的稳定与安全不仅具有重要的学术价值，而且更具有重要的实践意义。