【摘 要】
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自然界中,天然岩体孕育有大量成熟的节理,节理的存在使得岩体的力学特性以及传导特质发生了显著的变化。应力波在节理岩体中传播时会发生严重衰减,造成岩体失稳等动力灾害,威胁工程安全。西南地区地质条件复杂,裂隙、节理发育成熟,软岩赋存丰富。因此,研究软岩与节理在冲击荷载下的动力特性可以为岩石工程施工减少不必要的经济损失。本文考虑了节理数量、软弱夹层厚度以及节理两端材料三种因素,利用相似定理配比软弱砂岩和硬
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自然界中,天然岩体孕育有大量成熟的节理,节理的存在使得岩体的力学特性以及传导特质发生了显著的变化。应力波在节理岩体中传播时会发生严重衰减,造成岩体失稳等动力灾害,威胁工程安全。西南地区地质条件复杂,裂隙、节理发育成熟,软岩赋存丰富。因此,研究软岩与节理在冲击荷载下的动力特性可以为岩石工程施工减少不必要的经济损失。本文考虑了节理数量、软弱夹层厚度以及节理两端材料三种因素,利用相似定理配比软弱砂岩和硬岩的类岩石材料,共制作了8组试件,通过霍普金森压杆(SHPB)实验、高速相机拍摄、理论分析及ABAQUS数值模拟等多种手段,系统研究了多节理类岩石材料动态破坏机理以及应力波传播规律。本文主要研究内容与结果如下:(1)节理越多,入射波与反射波的峰值越大。透射波在传播中存在衰减现象,应力波穿过节理类岩石试件时,只有极少数的能量穿过试件到达透射杆中形成透射波。随着节理数的增加透射系数逐渐减小,试件破坏程度加剧,均表现为张拉剪切的混合型破坏模式。能量耗散与节理数量无明显关系,但节理面越多透射能量越小。由应力-应变曲线可知,随着节理数增加,试件动态抗压强度减小,Mises应力逐渐向试件两端面处分散,最大主应力越容易表现为压应力形式,且节理数的增加改变了试件的破坏形式。(2)增加软弱夹层厚度,反射波与透射波呈现减小的变化趋势,透射波幅值在夹层厚度超过20mm后急剧下降,随着软弱夹层厚度的增加,透射系数减小。试件在破坏过程中都出现了被压缩变鼓的现象,试件皆表现出张拉剪切混合型破坏模式,节理端面发生剪切破坏,软弱夹层越厚,试件末端破坏越充分。软弱夹层厚度增加则能量耗散比变大,透射能量比降低。试件破坏的峰值强度与节理夹层厚度呈正相关关系,且厚夹层试件的动态弹性模量大于较薄的夹层。夹层越厚,夹层附近的Mises应力分布越弱,继续加载,Mises应力会集中在软弱夹层部分导致软弱夹层先发生破坏;最大主应力越容易表现为压应力形式。(3)应力波穿越由两种不同强度类岩石组成的试件时,入射波遭遇较软岩石时幅值减小。两者强度差越大,节理对应力波传播的阻隔作用越明显,硬岩越不容易发生破坏,试件破坏模式为张拉剪切混合型。应力波传播过程中,试件右端材料强度越小,则发生的能量耗散越少,且应力波的透射能量也越小。硬岩动态弹性模量较大,节理两侧材料强度越接近则越容易表现出脆性性能,反之越容易表现为塑性特征。Mises应力多集中分布于软岩材料;当两种岩石强度相差越大时,软岩越容易积聚Mises应力从而发生更加充分的破坏,且硬岩的最大主应力越小;右端材料强度越小,压应力分布范围越大。
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