围压条件下岩石的冲击力学性能及损伤特性研究

Impact damage of rock is a major concern in the application of underground engineering excavation and protective engineering earthquake and antiknock. In this project, the mechanical properties and damage characteristics of deep high stress rock under impact load will be studied through self-developed confining pressure loading device and a light gas gun dynamic test system, and the corresponding impact damage mechanics model will be constructed. By the combined method of theoretical analysis, model experiment and numerical simulation, the propagated and attenuated laws of stress wave, damage and failure characteristics of rock, as well as the stress field and damage field in coupling effect of confining pressure and impact load will be researched; the mechanical response characteristics of confining pressure rock subject to impact load and the effect of confining pressure on mechanical properties will be determined. The impact damage model will be embedded in DYNA program on the base of two times development, and the rock damage mechanism and failure range will be studied combined with scanning electron microscope and ultrasonic testing technique finally. The research results have great significance on understanding the impact resistance capability and dynamic damage of deep high stress rock.

针对地下工程开挖和防护工程防震抗爆应用中存在的岩石冲击破坏问题。本项目拟以围压荷载作用岩石为研究对象，通过自行研制的围压加载装置和轻气炮动力试验系统，研究深部高地应力岩石在冲击荷载作用下的力学性能和损伤特性，并构建与之相应的冲击损伤力学模型。采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的方法，对岩石中应力波的传播与衰减规律、损伤与破坏特性，以及岩石在围压和冲击荷载耦合作用下的应力场和损伤场等进行研究，确定冲击荷载条件下围压作用岩石的力学响应特性和围压对岩石力学性能的影响。对DYNA程序进行二次开发，将建立的冲击损伤力学模型嵌入软件，并结合电镜扫描和超声测试技术，研究冲击荷载条件下围压作用岩石的损伤机理和破坏范围。项目研究成果对于认识深部高地应力岩石的抗冲击能力和动态损伤破坏具有重要意义。

地下深部岩石在爆破冲击荷载作用下的力学响应和破坏特性，对巷道稳定开挖和围岩支护具有重要的影响。地下深部岩石掘进的动力学行为主要涉及高围压荷载，岩石含水和强动荷载冲击等情况，我们针对这些复杂环境下的岩石力学响应和破坏特性开展了详细的研究和分析。首先，应用RMT301岩石与混凝土力学试验系统对灰岩和砂岩在1×10－4～1×10－2/s应变率范围内的力学性能进行研究，获得了围压荷载、含水率和应变速率对岩石力学性能的影响规律，以损伤力学与统计理论为基础，构建了基于幂函数分布和Weibull分布的岩石动态损伤统计本构模型；其次，采用SHPB试验技术对岩石在10～1×103/s应变率范围内的力学性能进行研究，分析了试样长径比和应变率对岩石力学性能的影响；然后，通过一级轻气炮冲击加载试验系统对岩石在强冲击荷载作用下的力学响应进行研究，得到了石灰岩的雨果纽弹性极限为1.7GPa，分析了岩石中应力波的传播与衰减规律、损伤与破坏特性，以及岩石在围压和冲击荷载耦合作用下的应力场和损伤场分布规律，确定了冲击荷载条件下围压作用岩石的力学响应特性和围压对岩石力学性能的影响；最后，基于热力学和微缺陷演化理论，建立了岩石损伤的粘弹性和粘塑性本构模型，并对强冲击荷载作用下岩石的动力响应进行了数值模拟分析。研究结果对深部高应力围岩的高效掘进和安全支护具有重要意义。