热处理花岗岩动态劈裂行为实验与数值研究

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岩石是内部存在大量微裂纹、微孔洞等微观特征结构的非均质材料,因其抗拉强度远小于抗压强度,在受载荷时经常会发生拉伸破坏。此外,在地热资源开发、高放射性核废料地下存储与隧道火灾后重建等工程中,岩石都受到温度和荷载的共同作用。为了研究经热处理的中细粒花岗岩动态拉伸力学特性、动态劈裂破坏模式、能量耗散特征以及温度和加载率对花岗岩能耗规律的影响,本文开展的研究工作及得出相关结论如下:  首先,利用φ50mm直锥变截面Hopkinson压杆(SHPB)对经历6个不同温度作用后(即25、100、300、500、700和900℃)的花岗岩试样进行3种加载速率(5.4m/s、7.7m/s和13.7m/s)的动态劈裂试验。力学特性分析结果表明:当温度在500℃以内和较低应变率下,花岗岩动态劈裂试件的破坏形式为沿径向轴对称开裂,随加载率的增加,试样两端出现明显的三角形压碎区域;温度达到500℃以后,试样破坏程度加剧,在高应变率下呈现出粉碎性破坏;随温度的增加,岩样的纵波波速降低,损伤相应增大,而且热损伤演化规律符合logistic曲线模型;在所研究温度范围内,不同加载率下劈裂强度随温度升高逐渐降低,100℃温度后,抗拉强度与损伤变化关系与allometry函数曲线吻合;且每个温度下劈裂强度随应变率的增加均近似呈线性增长。  其次,基于岩石失稳破裂的能量原理,分析了岩石在破碎过程中的能耗规律,结果表明:花岗岩试样在动态劈裂中的耗散能随热处理温度的上升而减小,但随弹速的增加而提高;岩石试样破碎块度随着平均入射能变化率和温度的升高而越小,而破裂块的数目则呈增多趋势;入射能平均变化率的增加使温度对试样破碎形态的影响作用更加显著;冲击荷载作用下,能量利用率均不超过30%,且表现出与加载率效应相反的特性;花岗岩的动态劈裂强度与透射波的能量近似呈线性增长关系。研究指出从能量耗散的角度能更加清晰和准确地表征岩石抵抗拉伸破坏的能力。  最后,使用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA和ABAQUS,对花岗岩的动态劈裂破坏过程和端部效应影响进行数值模拟。研究结果表明:试样采用非等分网格划分形式,可以避免杆件与试样接触部位应力过于集中;考虑应变率效应的Cowper-Symonds粘塑性本构能够较好地描述常温下花岗岩的动力学行为。在动态劈裂中,试样端部效应的存在使其抗拉强度比理论值偏大。
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