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循环冲击下预加静载岩石损伤破坏机制
随着地球浅部能源、资源、空间逐渐开发殆尽，向地球深部发展已成为必然选择。目前全球范围煤矿最大开采深度已超1500 m，金属矿最大开采深度已超4000 m，隧道最大建设深度已超2000 m，放射性废物处理及油气开采等工程也多处于千米以深。随着地下工程建设深度的增加，围岩承载的准静态地应力逐渐增大，且常受到连续爆破、采掘施工等多种循环动载荷的叠加扰动。上述动静叠加力学环境下围岩弹脆性及密实性逐渐增强，更利于弹性应变能积聚以及动载应力波的快速、远程传播，极易发生岩爆、冲击地压等动力灾害。
目前，动静叠加下岩石损伤破坏特征及其致灾机理研究已成为地下工程动力灾变机理与防控领域的热点问题。在室内试验方面，主要利用电−液伺服系统进行快速循环加卸载或者利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行循环冲击。
在循环加卸载试验方面，主要采用电液伺服循环加卸载试验系统开展研究，SUN等研究得出循环加卸载会促进岩石颗粒的破碎和磨损，降低岩石孔隙度。YE等研究得出岩石细观等效弹性模量随着循环次数的增加而增大，随着最大接触力的增加而减小。MARTIN等研究得出循环加载力学条件增强了岩石流变特性。ZHANG等、MENG等研究得出当循环荷载达到1/3强度时，岩石Felicity效应较明显。WANG等研究得出循环加载下岩石损伤呈现倒“S”型演化规律。
在循环冲击试验方面，主要采用SHPB试验系统开展研究，DING等研究得出冲击速度越大，剪切应力对能量耗散的影响越明显。LU等研究得出岩石动态峰值应力随着冲击次数的增加而减小，且均呈现脆性破坏。WANG等和JIANG等研究得出循环冲击下岩石骨架被压实，孔隙结构逐渐闭合，渗透性减弱。LUO等和SHI等研究得出岩石破坏特征随层理角增大呈现张拉破坏—剪切破坏—劈裂破坏的演变过程。ZHANG等研究得出随着冲击次数的增加，单位时间能量密度逐渐降低。JIANG等和LIU等研究得出岩石微裂纹随着冲击次数的增加而聚合扩展，最终形成较大的微裂纹区。XUE等和WANG等研究得出随着循环冲击次数的增加，岩石峰值强度呈现先强后弱、极限应变呈现先降低后升高的趋势。MA等和WANG等研究得出，循环冲击下损伤因子和冲击时间曲线可分为损伤初始阶段、损伤累积阶段和损伤加重阶段。CHEN等研究得出单轴循环荷载和冲击荷载共同作用下，岩样的损伤变量与初始损伤具有显著的正相关关系。
在理论分析方面，KALLIONTZIS等修正了简单摇摆模型的恢复系数，并建立了可控摇摆冲击模型。GONG等建立了包含压缩耗散系数、应变能、塑性应变的脆性岩石循环损伤本构模型。CHEN等建立了循环荷载作用下岩石的损伤破坏模型，并提出了细观单元强度线性退化假设。WANG等建立了轴向和扭转复合冲击模型，得出岩石破碎量随冲击载荷振幅和冲击加载次数的增加而增加。FAN等分析得出累积残余变形率随间隔时间的延长而增大，并建立了循环加载寿命与间隔时间之间的定量关系。
综上所述，现有动载试验研究多集中于低应变率液压循环加卸载以及高应变率SHPB冲击，介入2者之间的中应变率动载及其与静载的叠加作用研究相对较少；且循环冲击过程中的连续性较差，如SHPB冲击需要复杂的安装操作才能完成1次冲击。同时，尚未建立综合考虑预加静载与循环冲击耦合作用损伤因子。
笔者系统研究了不同预加静载叠加循环冲击下岩石损伤破坏特性，通过峰值强度、变形模量、残余应变等定量表征了岩石的损伤演化规律，通过裂隙分形维数及碎块分形维数定量表征了岩石破坏特征，并通过理论分析探索了动静叠加下岩石损伤破坏机制。
为研究深部地下工程高地应力静载与采掘爆破施工等循环扰动耦合作用下岩石的损伤破坏机制，利用自主研发的多应变率动静叠加岩石力学试验系统，开展了不同预加静载(0.45σc、0.65σc、0.85σc)叠加循环冲击荷载以及相同预加静载叠加不同频率(0.5、1.0、2.0 Hz)循环冲击荷载的砂岩动静叠加试验。试验结果表明：动静叠加试验中岩石峰值强度小于静载试验，最大变形量大于静载试验，表明动静叠加荷载对岩石损伤具有显著促进作用，且不同动静荷载叠加下岩石强度、变形、破坏等演化规律具有一致性，其中峰值强度、破碎持续时间与预加静载呈线性负相关，与循环冲击频率呈对数正相关；最大应变、裂隙分形维数、碎块分形维数与预加静载呈线性正相关，与循环冲击频率呈对数负相关；不同动静叠加下岩石表面裂隙与碎块粒径分形维数演化趋势基本一致，且前者略大于后者，表明岩石表面及内部裂隙发育的同步性，相比岩石内部三维应力状态，表面更利用裂隙萌生与扩展；不同动静叠加条件下岩样破坏模式发生转变，随着预加静载的增大或冲击频率的减小，破坏模式经历“斜面剪切破坏—竖向拉伸破坏—整体爆裂破坏”的转变，且爆裂破坏位置由底部向整体扩展。
为定量表征循环冲击下预加静载岩石损伤机制，结合理论分析与试验数据，建立了综合考虑静载损伤与不同峰值、频率、次数循环冲击损伤以及应变率强化效应的动静叠加损伤因子，进而开展了4组不同参数下的动静叠加试验，理论计算与试验结果对照误差率分别为0.5%、1.8%、0.6%、1.7%，误差均较小；但基于动静叠加损伤因子的理论计算强度均小于试验强度，初步分析这是由于高频循环冲击下损伤发育存在细观滞后性，循环冲击实际产生的累积损伤小于单次冲击损伤的循环次数倍，后期可开展细观测试，探索循环冲击下岩石细观损伤演化规律，进一步完善理论模型。
图 1 多应变率动静叠加岩石力学试验系统
图 2 循环冲击与静载叠加下力学时程曲线
图 3 组 2-2 试验循环冲击荷载波形局部放大
图 4 动静叠加下破坏特征
图 7 循环冲击与静载叠加下岩石碎块
图 8 试样碎块分形维数
图 9 不同静载叠加循环冲击下岩石损伤特性对比
图 10 不同频率循环冲击叠加静载下岩石损伤特性对比
图 11 强度损伤率随预加静载演化
图 12 强度损伤率随冲击频率演化
图 13 验证试验与理论计算数据对比
王汉鹏，男，1978年07月23日生，山东平阴人，山东大学特聘教授、博士生导师，教育部长江学者，山东省泰山学者特聘专家，先后获国家技术发明奖二等奖（排名第2），省部级奖励一等奖4项，二等奖4项。出版专著教材7部，第一/通讯作者发表SCI/EI论文100余篇，他引3000余次，2篇论文入选F5000，2篇入选“ESI高被引论文”。授权中国发明专利80余项，获计算机软件著作权10余项，参编标准2部。
研究方向
地下工程灾变机理与防控
主要成果
聚焦深部工程复杂环境灾变机理与防控技术研究，研发了系列化多场耦合真三维物理模拟试验装备，为动力灾变过程真实定量相似模拟提供了仪器保障，全球首次成功模拟了煤与瓦斯突出全过程；原创研发了十余套多相介质岩体特性测试仪器，创建了多相煤岩体气固耦合相似理论，研制了多种各具特色的岩（煤）体相似材料，突破了多场耦合灾变过程真实定量模拟的理论与材料瓶颈；构建了工程扰动煤岩变形破坏的多场耦合损伤动力学模型，发明了基于可拓理论的灾害风险辨识方法，实现了对煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害的定量判识解危。相关成果成功应用于30余项国家重难点工程，经济社会效益显著。
来源：
王汉鹏，王伟，张冰，等. 循环冲击下预加静载岩石损伤破坏机制[J]. 煤炭学报，2024，49(4):1860−1872.
