爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(I)：一维块系岩体波动特性的试验研究

与岩体构造层次相关的摆型波现象正逐渐形成非线性岩石力学的重要研究方向,并在诱发地震、岩爆及其他地震动事件的研究中展现出了重要的应用前景。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行一维块系岩体模型的波动特性试验研究,测得一维冲击条件下块体振动的的频谱、振幅、波速特征,获得了迥异于连续介质中波动特性的摆型波特征现象,试验结果表明：一维冲击作用下,在冲击振动通过块系构造岩体向前传播的过程中,发生了从高频振动向低频振动的转移;相邻岩块间发生位移相差很大、甚至位移符号相反的相互对应的摆动;随着冲击比例距离的增加,块系岩体各块体加速度、位移幅值按指数形式衰减;摆型波传播的速度远远小于连续介质中纵波的传播速度,主要取决于块体间的裂隙宽度以及块体的运动速度。     

单元体弹性模量分布对岩石单轴抗压强度影响数值模拟

利用FLAC3D建立单轴压缩试验数值模型并与实际情况比较以验证模型可靠性。控制其它材料参数,改变单元体弹性模量分析岩体抗压强度的影响。岩体模型各单元体弹性模量在一定区间内分别按均匀变化规律取值、随机取值以及按正态分布规律取值,研究单元体弹性模量分布规律对岩石单轴抗压强度的影响。结果表明:弹性模量分布的均匀性越好,岩石抗压强度越大,最大值等于整个岩体模型弹性模量取相同参考值时的计算结果;单元体弹性模量在一定区间内随机取值时,岩石抗压强度将减小,且弹性模量随机取值区间越大,岩石抗压强度越小;在相同的取值区间上,弹性模量按正态分布规律取值时岩石抗压强度大于弹性模量随机取值时的抗压强度。两者都小于整个岩体模型弹性模量取相同参考值时岩石的抗压强度,即σ1≥σE正态分布≥σE随机分布。     

高超声速钻地炸弹侵彻深度计算方法

高超声速钻地炸弹的巡航速度大于5 Ma,为保证着靶侵彻过程弹体结构完整,其着靶速度通常小于5 Ma。对于在3～5 Ma范围内的钻地炸弹打击,既有混凝土结构防护侵彻深度设计方法不能涵盖上述速度范围的计算问题。依据已有研究基础,阐明了该速度范围钻地弹侵彻介质的拟流体特性,提出了高超声速刚性钻地炸弹侵彻介质拟流体模型,明确了弹靶作用阻抗函数与拟流体内摩擦性状的关联,据此建立了高超声速炸弹侵彻深度计算方法。通过与已有实验结果对比分析,表明该方法具有可信性。     

试验设计法在硬岩PFC~(3D)模型细观参数标定中的应用

利用试验设计法针对硬质岩体颗粒离散元数值研究中的细观参数标定问题进行了研究。首先利用Plackett-Burman试验设计分析了细观参数对宏观响应的敏感性,并建立了宏观力学指标和细观参数之间的线性关系,然后利用响应曲面法考查了显著影响参数之间的相互作用,得到了宏观响应与细观参数之间的非线性关系。最后将问题转化为非线性多目标数学规划问题利用MATLAB软件中FGOALATTAIN函数进行求解。通过和典型硬岩物理试验结果对比发现,利用试验设计法标定参数建立的颗粒离散元模型可以很好地反映单轴和低围压下岩石的破坏过程,但是由于采用了球形颗粒对于高围压下的拟合效果偏弱。利用PB设计、响应曲面法并结合数学规划建立的细观参数标定方法可以反映各细观参数对宏观力学响应的敏感性并给出明确的函数表达式,同时可以通过增加求解过程中的约束条件来体现更多的岩石力学特性。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(Ⅱ):冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验

深部岩体为具有块状层次结构的含能地质体,在冲击扰动通过块系岩体向前传播的振动过程中,极易诱发原先处于平衡状态的岩体的内应力释放,产生不可逆变形、岩爆、工程地震等工程灾害。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行不同初应力条件下冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验,获得冲击扰动诱发岩块不可逆位移、动力滑移失稳的关键力学机制、规律及充分必要条件。通过深入研究冲击扰动下初应力岩体运动的能量转化机制,推导得到了支配岩块运动规律的特征能量因子,给出了与不同规模的岩体破坏(不可逆位移、动力滑移失稳)相适应的特征能量因子阈值和判别准则。研究表明,基于特征能量因子的判别准则能较好的表征冲击扰动诱发岩块间不可逆位移和动力失稳的特征科学现象。     

岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究

采用声波、声发射一体化装置同步测试单轴压缩下花岗岩应力应变、超声波及声发射(AE)特征演化规律,分析岩石特征应力对应的宏–细观表征,通过裂纹体积应变、声发射及声波特征等共同量化岩石损伤演化过程。结果表明:裂纹体积应变和波速对应的损伤起始应力吻合较好,AE事件、幅值分布、b值对应的应力特征值基本一致,但AE事件表征的损伤累积开始早于宏观变形和声波;初始加载阶段波速及各项异性系数K均逐渐增加,之后变化趋缓,起裂应力后侧向波速开始减小,而K逐渐增大;峰值应力前裂纹的快速聚结引起AE信号幅值大幅增加,伴随的是b值的快速下降和AE累积能量的陡增;基于起裂应力后损伤才开始累积的假定,量化并对比了裂纹体应变、AE事件等多参量表征的损伤演化规律,发现花岗岩损伤累积绝大部分发生在损伤应力之后。裂纹体应变表征的损伤具有明确物理意义,但裂纹体应变计算中泊松比选取存在一定主观性,裂纹体应变、AE能量、模量等参数表征的损伤在接近峰值应力前均出现大幅增加,与b值的快速下降对应。综合对比分析,AE能量表征的损伤具有更好的可靠性,反映了岩石损伤破裂的本质特征。     

中主应力对散粒体材料强度和变形影响的数值模拟研究

采用PFC3D数值模拟软件,研究散粒体材料在真三轴试验条件下中主应力对强度和变形的影响,并用统计方法从细观角度探讨中主应力的影响机制。数值模拟结果表明,中主应力比b增大,材料的有效内摩擦角、轴向应力峰值以及对应的轴向应变都呈现先增大然后减小的变化规律。b值的增大使中主应力方向应变由拉伸变为压缩,体应变由剪缩变为剪胀。b值对散粒体材料有效内摩擦角的影响规律和Lade-Duncan准则比较一致。从细观层面上,b值影响颗粒间法向接触力的分布。在b值增大过程中,当b值较小时中主应力方向的增强效应占主导使得材料强度增大,b值较大时小主应力方向的减弱效应占主导使得材料强度降低。     

爆炸冲击波在变向通道中传播规律数值模拟

基于LS-DYNA软件对单次变向通道内TNT爆炸进行模拟以验证利用LS-DYNA模拟的准确性，研究了变向角度θ和曲率半径R对变向通道内冲击波传播规律的影响。研究结果表明，当θ和R较小时，θ和R的变化对通道变向处冲击波参数的变化影响较大，对于远场处的影响较小；当θ为90°、R为0 mm时，通道内变向处外壁面所受压力是内壁面所受压力的2.17倍；随着θ的增大，反射冲击波超压峰值减小，冲击波能量分配趋于变向后通道，远场处超压峰值先减小后增大；随着R的增加，冲击波在变向处的反射现象不明显，反射冲击波的超压峰值低；随着θ和R的增加，外壁面与内壁面所受反射压力超压峰值之差减小；当θ和R分别增加到一定程度时，改变θ和R对整个通道内冲击波参数变化的影响并不明显，但外壁面压力仍然略高于内壁面压力。