世界经济的迅猛发展使得人类对矿产资源的需求量越来越大,矿产资源的勘探深度越来越大,勘探地层越来越硬。硬岩具有致密、研磨性强、强度高、破碎功大等特点,使得其很难被破坏。为解决硬岩钻进的基本问题,应进行碎岩新方法及碎岩机理的研究,降低岩石的破碎强度,实现大体积破碎。完整致密硬岩的固有频率一般为20KHz~40KHz,在岩石受到合理地共振时,内部会快速产生裂纹,导致其强度急剧下降,这种情况下,岩石会很容易被破坏,进而提高了钻头使用寿命与钻进速度。因此,采用超声波振动配合切削钻进的方法来解决硬岩钻进的难题,具有一定的可行性。岩石是一种含有多种细观缺陷的混合物质,岩石的破坏过程受控于这些细观结构,在载荷作用下,这些细观缺陷会产生不可逆的演化,从而导致岩石强度的降低。研究岩石在超声波振动下其内部细观裂纹的变化特性,能够从根本上揭示超声波作用下岩石强度下降规律的内在机理,为超声波振动辅助钻进技术提供理论指导,这对解决硬岩钻进的技术难题具有非常重要的战略性意义。本文从超声波振动下花岗岩裂纹的开裂条件、扩展特性及静载荷对花岗岩损伤的影响规律三个方面,采用有限单元法与室内实验相结合的方法,对超声波振动下花岗岩裂纹的变化特性进行了研究。介绍了花岗岩的物理力学参数,并以此为基础,通过联合强度理论推导出了超声波振动下花岗岩裂纹起裂的数学模型,应用岩石损伤力学,获取了以推导出的联合强度准则为基础的超声波振动下花岗岩的损伤模型。利用ANSYS软件与MATLAB软件建立了可以体现花岗岩非均匀程度的数值模拟模型,并以此模型为基础,对超声波振动下花岗岩裂纹的变化过程进行了数值模拟计算,得到以下结论:花岗岩固有频率随静载荷的增大而逐渐增大,静载荷-固有频率曲线近似呈对数型,固有频率的增加幅度随静载荷的增大逐渐减缓;当振动频率与花岗岩一阶固有频率相近时,花岗岩内应力、应变远远高于其他振动频率下花岗岩内部应力、应变值,振动频率对应力、应变变化速率的影响作用十分明显,当振动频率与花岗岩一阶固有频率相同时,应力、应变达到最大值;只有当花岗岩裂纹尖端处局部微单元体满足强度准则时,花岗岩裂纹开始扩展,其扩展过程分为萌生、扩展、贯通3个阶段,在萌生阶段,岩石内某些节点上产生应力集中,这些节点开裂形成微孔隙,缓和了应力集中并使得岩石内部应力重新分布,在扩展阶段,微孔隙不断向四周缓慢扩展,最终沿某一方向形成主裂纹,主裂纹继续延伸,在主裂纹上出现随机分布的次裂纹,在贯通阶段,微孔隙、微裂纹之间开始相互贯通,形成新的裂纹。设计了超声波动静组合加载装置,对超声波振动下花岗岩裂纹变化特性进行实验研究,实验结果与数值模拟结果基本一致。对比实验结果与数值模拟结果,发现采用以联合强度理论为基础的花岗岩裂纹起裂条件的数学模型进行数值模拟得到的结果要比单独采用第二或者第三强度理论进行数值模拟更加接近实验结果。对超声波振动实验数据进行整理,研究静载荷对花岗岩损伤程度的影响规律,得到以下结论:超声波振动过程中,静载荷存在阈值,当施加的静载荷小于阈值时,静载荷的变化并不引起花岗岩弹性模量的变化,静载荷的变化对花岗岩损伤没有影响,当施加的静载荷大于阈值时,改变静载荷值将直接影响对花岗岩造成的损伤程度;在施加的静载荷大于阈值的前提下,静载荷对花岗岩造成损伤的过程可分为缓冲阶段和损伤阶段,在缓冲阶段,花岗岩弹性模量下降不明显,在损伤阶段,花岗岩弹性模量急剧下降;在其他条件不变的情况下,超声波振动下存在最优的静载荷值使得花岗岩损伤程度最大,本实验中最优静载荷值为400N。进行CT扫描实验,获取了不同振动条件下花岗岩的CT图像,根据CT图像对超声波振动下花岗岩裂纹扩展过程进行分析,将花岗岩裂纹扩展过程分为萌生、扩展、贯通三个阶段,与数值模拟结果基本一致。振动过程中,随着振动时间的增加,裂纹逐渐向轴心处汇聚。