围压条件下地下工程岩石的抗冲击性能及动态累积损伤特性研究

以地下工程岩石为研究对象，以围压条件（地应力条件）下岩石的抗冲击试验和动态累积损伤试验为主要研究手段，以数值分析为辅助研究手段，对围压条件下地下工程岩石的抗冲击性能和动态累积损伤特性进行研究，具体内容包括：（1）改进直径100mm分离式霍普金森压杆装置，拓展围压条件下对岩石进行抗冲击试验的功能，并研究相应的试验技术；（2）采用液压伺服试验机对岩石进行准静态下的压缩试验，采用改进后的直径100mm 分离式霍普金森压杆装置，对岩石分别进行单轴状态和围压状态下的冲击试验；（3）采用改进后的直径100mm 分离式霍普金森压杆装置，通过循环冲击加载，对围压条件下的岩石进行动态累积损伤试验，研究岩石的动态累积损伤特性；（4）采用有限元软件对岩石的抗冲击试验和动态累积损伤试验进行数值模拟，辅助分析岩石的抗冲击性能和动态累积损伤特性；（5）理论研究，建立围压条件下岩石冲击压缩的本构模型和动态累积损伤模型。

针对地下岩石工程急需解决的基础性关键问题，本项目基于室内试验和数值模拟，采用试验研究为技术手段，损伤力学、分形理论等为主要分析方法，以围压条件下地下工程岩石的抗冲击性能和动态累积损伤特性为主要研究内容，探索了岩石的抗冲击性能和损伤特性等基础性的力学理论问题，揭示了岩石的抗冲击性能和损伤特性的变化规律，阐述了岩石力学性质的变化机理，建立了围压条件下地下工程岩石冲击压缩的本构模型，为地下工程结构设计提供了重要理论依据。具体内容有：（1）对Ф100mmSHPB系统进行了围压装置改造，研究了SHPB试验的入射波波形整形技术，分析了SHPB试验系统的稳定性和试件的应力均匀性。（2）进行了岩石在单轴状态下的静态压缩、劈裂抗拉试验，单轴状态和围压状态下的动态压缩以及动态劈裂抗拉试验，研究了岩石静动态力学特性。（3）利用带围压装置的SHPB系统对不同围压下岩石在冲击荷载循环加载下的力学性能及累积损伤效应进行了试验研究，为研究工程岩体在爆炸冲击荷载下的动力学特性提供了一种新的思路。（4）通过冲击荷载作用下岩石的破碎块度和能量分析，建立了岩石破碎块度-能量的关系式，确定了岩石的破碎能耗因子，分析了岩石破碎断裂能与围压的关系，研究了岩石破碎块度的分形特征。（5）基于损伤力学与统计理论，考虑了围压和应变速率对岩石受力特性的影响，采用组合建模方法，建立了岩石的动态损伤统计本构方程，为岩石动力分析提供了新的思路。（6）采用ANSYS/LS-DYNA3D，对SHPB试验的入射波波形整形技术及围压条件下岩石材料的SHPB试验进行了模拟计算，对比模拟结果和试验结果，对岩石SHPB实验的有效性进行了验证和讨论。相关的研究成果在学术研究上具有理论价值，在地下岩石工程的建设与运行上具有实用价值，展现出良好的社会经济效益与应用前景。