重复爆破荷载作用下岩石动态疲劳损伤特性研究

This topic is about the problem of the stability of the rock surrounding near the blasting area which caught many attentions by the engineering of rock excavation, and studied the dynamic fatigue damage characteristics of the rocks under many times of blasting load. We studied the fatigue damage characteristics of the rock, the fractal evolution of crack and the fatigue strength under blasting load elastic wave characteristics through designed a testing apparatus which can do many times blasting load experiments. The law of crack propagation and the fatigue cumulative damage evolution were unified, and we defined “Fatigue damage factor” to correspond with Many times blasting load, and further analyzed the influence from Fatigue parameters to the mechanism of rock fatigue degradation and Rock fatigue damage life. The numerical simulation is researched on Dynamic fatigue damage characteristics of rock, fracture characteristics and crack propagation combining with XFEM simulation technique, which provide the scientific basis and practical methods to Rock excavation engineering safety control of surrounding rock.

本课题针对岩石开挖工程广泛关注的爆区附近围岩稳定问题,开展重复爆破荷载条件下岩石动态疲劳损伤特性研究。通过设计一套实现重复爆破荷载加载试验装置进行试验，研究重复爆破荷载弹性波作用下岩体疲劳损伤特征、裂纹分形演化和疲劳强度变化规律，将裂纹扩展规律和疲劳累积损伤演化统一起来，定义与多次爆破载荷相对应的"疲劳损伤因子"；并进一步分析研究疲劳参数对岩石疲劳劣化的机理和对岩石疲劳损伤寿命的影响。通过编制XFEM（扩展有限元）程序对岩石动态疲劳损伤特性、断裂特性和裂纹扩展进行数值模拟研究，为岩石开挖工程围岩安全控制提供科学依据和实用手段。

随着地下资源开采和国防防护等工程开挖深度的不断增加，处于地应力环境中的岩体在爆炸、高速冲击等作用下的动态响应过程趋于复杂。本研究采用理论分析、实验测试和数值模拟相结合的方法对主动围压和爆炸作用下岩石的破碎过程和损伤累积等进行研究，得出如下结论：.（1）设计并试制能够模仿重复爆破荷载条件下岩石动态疲劳损伤特性的试验装置。该装置可提供准静态双轴围压，并保证压力稳定性。爆炸加载而采取平面波发生器单向加载和试件中心炮孔加载两种方式，后者选取小直径药柱和低能导爆索，通过耦合和不耦合装药方式来调节爆炸荷载。利用超动态应变和高速摄像测试系统，对岩石内部变形及裂纹扩展等动态响应过程进行观测。.（2）对均匀围压和爆炸作用下岩石动态响应研究发现：围压在圆柱试件的环向形成压应力，减弱了爆炸应力波产生的环向拉伸破坏。破碎区半径、裂纹数目和裂纹几何尺寸随着围压增大显著减小。随着距爆炸中心越远，应力波强度降低，围压对径向裂纹的止裂作用增强。同时，结合弹性力学和柱面应力波相关理论分析，得到围压在孔壁附近产生环向压应力，减小了爆炸形成的拉伸破坏，这一结论与实验结果相符。通过数值模拟发现，爆炸后岩石的Von Mises应力随围压的升高而增强，而环向拉伸破坏随围压的升高而减弱。.（3）对重复爆炸实验研究中，在首次爆炸作用下，试件主要发生弹性变形，岩石内部没有产生损伤。随着加载次数增加，孔壁附近区域逐渐产生塑性变形，岩石内微裂隙开始萌生、合并。在最后一次爆炸加载，峰值应变突然增大，微裂纹快速成长为贯穿裂纹，造成试件脆性断裂失效。.（4）损伤D在0～0.4，弹塑性变形对试件整体的力学特征影响较小。D>0.5时，岩石产生不可逆的局部失效，内部损伤随加载次数递增，试件保持整体完整。D>0.6时，损伤累积超过极限，裂纹扩展造成岩石断裂。.（5）在爆炸应力波作用下，岩石的破坏过程和加载时间紧密关联。爆炸应力波持续时间较短，在岩石内部形成的损伤没有足够时间累积，单次加载下试件不会发生整体宏观失效。在多次加载下，损伤范围和程度逐渐增大，最终导致试件破碎。均匀围压在形成压应力场，可以有效阻碍微裂隙生长，提高试件强度。