一维动静组合载荷下灰岩力学特性研究

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岩爆发生在高地应力条件下隧道或矿山等地下工程开挖过程中,是一种非常严重的动力灾害,受到国内外学者越来越多的重视。为了从本质上了解岩爆的特性,以预防岩爆的发生,必须从岩石受载的力学响应着手进行研究。为此,本文采用霍普金森杆试验系统(SHPB),对灰岩进行一维动静组合载荷试验,在实验基础上,通过Flac3D软件对该试验过程进行数值模拟分析,综合采用试验和数值模拟结合的方法来研究岩石受到动力冲击作用时的力学特性,以模拟深部岩体“高应力+动力扰动”的受力模式,为研究岩爆的发生机理和力学本质提供一定的参考。试验研究表明:1)当灰岩受到冲击载荷作用没有严重破坏时,其应力-应变曲线在应力峰值后期一般会呈现出特有的“应变回弹”现象;当岩石破坏严重时,应力峰值后期则不会出现“应变回弹”现象,而是表现出和静载实验相类似的曲线走势。2)在应变率相近的条件下,随着轴压的增加,灰岩动态强度会先增大后减小,当轴压超过某一限值(岩石静载强度的56%-71%之间)时,岩体的承载能力开始下降;在轴压一定的条件下,随着应变率的增加,岩体动静组合强度逐渐增大。3)在无轴压条件下,灰岩受冲击后全部表现为吸能状态,而在有轴压条件下部分岩样则呈现释能状态;随着轴压的增加,岩石吸收的能量逐渐减小,直至最后开始表现为释放能量。数值模拟表明:1)随着轴压的增大,动载荷在岩体内部所形成的轴向应力逐渐减小位移逐渐增大;随着动载幅值的增加,动载荷在岩体内部所形成的轴向应力逐渐增大,位移也逐渐增大;随着动载频率的增加,动载荷在岩体内部所形成的轴向应力变化不大,但位移逐渐减小。2)轴向静压和动载幅值决定了岩体内部的轴向应力分布情况,动载频率对其影响不大;而动载荷幅值和动载频率则是岩体内部位移的主要影响因素,轴向静压对其影响不大。3)动载幅值和动载频率的增大,都会导致岩体受冲击的平均应变率增加,轴向静压与应变率的相关性不大。4)通过对岩体内各位置的实时监测发现,岩体内各点的轴向位移到达峰值后均出现位移减小的现象,这与试验中的“应变回弹”现象是一致的。本文采用室内动静组合加载实验和数值模拟相结合方法,对岩体一维动静组合加载力学特性进行分析,研究结果可为深部矿山岩爆机理和预测预报提供实验依据和参考。
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