岩体颗粒冲击破碎的试验研究与三维离散元数值模拟

论文摘要

颗粒材料在外来冲击作用下会发生破碎是一个普遍存在的问题,如岩土工程中的打桩过程、动力击实,军事领域内的弹体冲击等,这是由于冲击荷载会引发高应变率,使材料处于高应力状态。作为自然界分布最广泛的物质,岩石的颗粒破碎早已引起了世界上许多研究人员的关注,并开展了大量相关的研究工作。近些年来,随着国内大型民用和工业建设的兴起,大量石料如粗粒料、砂石等被广泛应用于交通、水利等基础设施建设中,由于岩石颗粒破碎会严重影响这些设施的实用性与安全性,因此受到了人们越来越多的重视。分离式霍普金森压杆（SHPB）试验技术是一种被广泛应用的,用于测试材料动态力学特性的标准方法。本文采用SHPB试验装置,对尼山石和寿山石这两类不同的岩体颗粒进行冲击破碎试验,测得不同应变率下岩体的应力-应变曲线,分析在冲击过程中应变率对岩体动态本构的影响,并通过两个独立变量:应变率强化变量Y*（?）和损伤软化变量D（?）构建了两类岩体的应变率相关本构理论。统计岩体破碎后的碎块信息,采用碎块的颗粒级配曲线作为岩体破碎程度的度量,量化岩体的破碎程度。借助于分形几何理论,得到两类岩石破碎后碎块的分形维数,分析岩石动态抗压强度、冲击速度与破碎分维的内在联系。本文对两类不同的岩体进行了冲击破碎试验和离散元数值模拟,通过对比两类岩体在冲击载荷下力学响应的区别,重点研究了冲击速率对岩体颗粒冲击破碎的影响。论文整体分为三部分:一、岩体冲击破碎的研究背景及国内外研究现状综述,包括影响岩体破碎的因素以及数值模拟研究方法,系统地总结了岩体破碎在颗粒流程序PFC中的研究进展。二、对岩体进行SHPB冲击试验,测得不同应变率下岩体的应力-应变曲线,分析在冲击过程中应变率对岩体本构的影响,并建立了两类岩体的应变率相关本构理论,根据碎块的颗粒级配曲线和分形几何理论量化试样的破碎程度。三、采用离散元仿真程序PFC对岩体冲击破碎过程进行数值仿真。与试验相比,数值模拟可以直观的展示出在实际试验中很难测得的变量,如裂纹拓展,能量转化等,这些变量有助于我们更深刻的理解冲击破碎过程,并研究了试样横截面形状对岩体力学特征的影响。此外,数值仿真中颗粒间粘结强度的标定也是一个难点,本文建立了与速率相关的粘结强度准则,希望能为之后做该领域研究的学者提供一些参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 冲击破碎试验研究现状
•     1.2.2 数值模拟在岩体颗粒破碎的研究现状
•   1.3 论文的主要研究内容
• 2 SHPB冲击试验
•   2.1 试验装置与原理介绍
•     2.1.1 霍普金森压杆实验装置
•     2.1.2 霍普金森压杆控制方程
•   2.2 试样选择与冲击破碎试验
•   2.3 应变率效应对比分析
•     2.3.1 动态本构关系比较
•     2.3.2 颗粒级配曲线对比
•   2.4 本章小结
• 3 岩石冲击破坏的分形理论研究
•   3.1 分形维数的计算
•   3.2 试样破碎特征分析
•     3.2.1 冲击速度对破碎分维的影响
•     3.2.2 破碎分维与动态抗压强度关系研究
•   3.3 本章小结
• 4 离散元数值模拟
•   4.1 离散单元法（DEM）介绍
•     4.1.1 离散元模拟程序——PFC
•     4.1.2 PFC的优势与使用流程
•   4.2 岩体冲击破碎的离散元数值模拟
•     4.2.1 建立数值模型
•     4.2.2 标定粘结强度
•     4.2.3 建立与速率相关的强度准则
•   4.3 冲击破碎过程的数值分析
•     4.3.1 能量分析
•     4.3.2 裂纹拓展
•   4.4 形态效应研究
•     4.4.1 动态抗压强度分析
•     4.4.2 强度特征
•   4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张金

导师: 赵红华

关键词: 分离式霍普金森压杆,离散元数值模拟,分形,强度准则,颗粒破碎

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 大连理工大学

分类号: TU45

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000122

总页数: 66

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