基于声波特性变化的岩体动态损伤临界值研究

A new damage model will be built by introducing acoustic parameters to the damage definitions of classical GK and TCK models. These acoustic parameters are convenient for application in engineering practice. First, dynamic tension tests will be conducted for intact and jointed rock specimens in different loading rate and different confining stress. The variation characteristics of the acoustic parameters, including travel speed, amplitude and spectrum ofsound waves, will be monitored in different stages of rock deformation and failure. As a result, a new damage threshold will be brought forward on the basis of acoustic parameters. And, the strain-rate-dependency of the damage threshold will be analyzed accordingly, as well as the confining stress levels. On the other hand, the initiation and development of microcracks will be studied comprehensively based on penny-shaped crack model and DMG (domain of microcrack growth) mode. Then the effects of microcrack growth on macroscopic acoustic parameters can be investigated in detail. This research will put forward a proposed dynamic damage threshold based on GK, TCK damage model and acoustic parameters. The affecting factors of the threshold will be studied as well.

对经典的GK、TCK模型中关于细观裂纹扩展与岩体损伤的关系进行改进，在岩体损伤的定义中引入可以直接测量的、便于实际工程应用的声波特性参数，建立基于岩体声波特性变化的动态损伤模型，确定损伤临界值。首先，开展不同加载速率和不同侧压情况下的岩石和节理试样的动态拉伸实验，并进行全过程声波特性测试，分析岩体从加载出现损伤到最终破坏全过程的声波特性变化，揭示声波特性随加载速率和围压等因素的变化规律。同时，以币状裂纹的区域扩展模式为基础，研究岩体的动态裂纹扩展准则，分析含单一裂纹、双裂纹和随机分布裂纹的岩体中的声波传播规律，建立岩体损伤发展和声波特性变化的关系方程。在此基础上，根据对理论、实验研究和数值模拟结果的综合分析，确定基于GK、TCK损伤模型以及声波变化率表征的岩石动态损伤临界值，分析岩体动态损伤临界值的影响因素。

在工程爆破中，为确保基岩完整性、保证工程安全，必须对岩体爆破的损伤范围和程度进行分析和评价，进而采取有效措施控制动力损伤效应，而动力损伤判据或损伤临界值的确定是进行损伤评价、划定损伤范围的前提，是基础爆破工程中岩体损伤控制的核心问题。本研究采用岩石超声波-声发射一体化装置研究了完整花岗岩、含单/双预制裂隙石膏及花岗岩破裂过程中超声波及声发射变化特征，研究了波速随裂纹扩展的变化特征，揭示了波速变化的细观机制。主要内容和结论如下：.(1) 基于岩石超声波-声发射一体化装置研究了花岗岩单轴压缩破裂过程波速及声发射演化特征，得到了不同方向波速、波幅及透射波频谱特征的变化规律；建立了声发射特征参数随岩石破裂过程的变化规律及差异，提出了岩石灾害性破坏失稳的前兆。.(2) 研究了预制裂隙石膏、花岗岩及天然裂隙花岗岩破裂过程超声波-声发射变化规律，分析了两种不同材料宏观力学及变形特征随裂隙倾角的变化规律。随着裂隙倾角增大，岩样向脆性破坏转变，加载初始波速逐渐增加。应力接近80%σc时，波速下降幅度均超过10%；峰值应力附近，侧向波速下降21%~63%(大部分超过30%)。相比单裂隙，双裂隙岩样波速更易受裂纹扩展的影响；含裂隙岩样的波降率也远大于完整岩石。.(3) 研究了单、双裂隙岩样裂纹起裂、扩展及聚合贯通过程，分别将单裂隙和双裂隙花岗岩岩样裂纹扩展模式分为九种和八种，分析了细观结构差异导致的试样裂纹扩展规律的差异，得到了裂隙倾角和岩桥倾角对裂纹贯通模式的影响。.(4) 采用离散元方法模拟了细观结构及参数对岩石破裂过程及破坏机制的影响，认为晶粒尺寸及粘结强度越大，裂纹扩展路径越粗糙、不平滑，剪切裂纹所占比例越大。研究了波速及衰减与细观颗粒组构和裂纹扩展方向的关系，提出了与波速相关的细观刚度张量模型，揭示了波速变化的细观机制，研究了波速及透射波幅随节理充填物特性的变化规律。双轴向加载时，峰值应力处轴向和侧向波速下降率分别为5%和14%。