摘要
振动碎岩具有能量消耗量低、所需轴向压力小等特点。为提高碎岩效率同时降低成本，进行了振动-加压相结合的碎岩模式研究。本文以红砂岩为研究对象，围绕动静复合加载条件下球齿侵入导致的红砂岩内部裂纹扩展规律开展研究。结果表明，球齿下岩石的破碎程度随着动、静载荷的增大而变大，并且只有当组合载荷峰值达到100 kN时，岩石才会发生明显的体积破碎。在破岩初期，当载荷较小时，岩石倾向于发展为侧向裂纹，岩石损伤成“宽而浅”特点。随着载荷的增大，岩石更倾向于发展中间的深部裂纹，而后才倾向于发展侧向裂纹，即呈“窄而深”的特点。岩石破碎的各项指标受各载荷参数的影响程度存在差异：即在相同的幅值增量条件下，增加动载幅度导致的破碎程度要大于增加相同静载荷时的破碎程度。以上结论可为提高动静载复合破碎硬岩效率、攻克硬岩钻进技术难题提供重要支撑。
岩土工程中，岩石破碎是涉及到的重要问题之一，如何在提高碎岩效率的同时控制好工程成本是亟待解决的问题。与传统的钻探方法相比，振动碎岩具有能量消耗量低、所需轴向压力小等特点。因此，为了在控制成本的基础上提高碎岩效率，进行振动-加压相结合的碎岩模式研究，通过数值模拟探究在振动与轴向加压力共同加载下的岩石破碎效果和影响规律，能为提高动静载复合破碎硬岩效率、攻克硬岩钻进技术难题提供重要支撑。
在影响岩石裂纹动态扩展因素研究方面：Akesson
在动静组合加载下岩石力学特性方面，R.J.Christenson
数值实验基于PF
图1 红砂岩试验样品
| 参数 | 密度/ （g·c | 弹性模量/GPa | 泊松比 | 单轴抗压强度/MPa |
|---|---|---|---|---|
| 数值 | 2.01 | 2.90 | 0.24 | 19.27 |
| 参数 | 颗粒最小半径Rmin/mm | 颗粒粒径比Rrat | 颗粒密度ρ/（kg· | 颗粒接触模量Ec/GPa | 颗粒刚度比kn/ks | 颗粒摩擦系数f | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 取值 | 0.25 | 1.66 | 2500 | 15 | 2.5 | 0.5 | |
| 参数 | 平行粘结模量pb_Ec/GPa | 平行粘结刚度比pb_kn/pb_ks |
法向粘结强度pb_sn/ MPa | 切向粘结强度pb_ss/MPa | 加载速率m/s | ||
| 取值 | 15 | 2.5 | 60±10 | 90±20 | 0.05 | ||
采用平行粘结模型进行数值模拟。平行粘结模型是用来传递颗粒间的力和力矩的。可以理解为在颗粒间接触点处放置了半径为的圆盘状平行弹簧。当颗粒之间填充有胶结材料时，骨料颗粒的嵌入、滑移产生的接触力也可以用平行粘结模型来描述，即平行粘结模型和滑移模型可以同时存在。建立尺寸为100 mm×50 mm的红砂岩数值模型；模拟选用半径为5 mm的球型齿刀具。
采用前面建立的数值模拟模型，对模拟过程中的各种参数进行定量调整，包括改变静载荷值、动载幅度，通过分析不同参数工况下的模拟结果，总结出各种因素对动静复合加载碎岩的影响规律。对模拟结果主要从裂纹扩展和破碎坑特征进行分析。
裂纹扩展特征主要关注裂纹的数量特征、中间裂纹的最大扩展深度Hm和扩展特征更加明显的侧向裂纹的最大延伸长度。岩石破碎坑的特征主要关注破碎坑的深度即球齿侵入深度、岩石表面的破碎面积（在二维尺度上即坑面长度）和破碎体积（剥离出来岩石的碎屑颗粒数）。
变静载荷的动静复合加载碎岩模拟采用静载荷分别为10、30、50 kN的不同情况。控制变量法要求除了静载荷作为单一变量外，其余参数均需一致，分别设定为：动载幅度为70 kN、频率为20 Hz、围压为5 MPa。
变动载幅度的动静复合加载碎岩模拟采用动载幅度分别为50、70、90 kN的不同情况。其余参数设定为：静载为30 kN、频率为20 Hz、围压为5 MPa。
试验方案参数见
| 试验方案 | 静载荷/kN | 动载幅度/kN | 频率/Hz | 围压/MPa |
|---|---|---|---|---|
| 变静载实验 | 10 | 70 | 20 | 5 |
| 20 | 70 | 20 | 5 | |
| 30 | 70 | 20 | 5 | |
| 变动载幅度实验 | 30 | 50 | 20 | 5 |
| 30 | 70 | 20 | 5 | |
| 30 | 90 | 20 | 5 |
不同静载荷下球齿复合入岩模拟结果见
图2 不同静载荷下球齿复合入岩模拟结果
不同静载荷下球齿入岩数值模拟中的裂纹扩展特征和破碎坑特征进行分析比较见
图3 不同静载荷下球齿入岩裂纹扩展和破碎坑特征
不同动载幅度下球齿入岩模拟结果如
图4 不同动载幅度下球齿入岩模拟结果
对不同动载幅度下球齿入岩数值模拟中的裂纹扩展特征和破碎坑特征进行分析比较，见
图5 不同动载荷下球齿入岩裂纹扩展和破碎坑特征
本文采用离散元数值模拟软件PF
（1）球齿下岩石的破碎程度随着动、静载荷的增大而变大，并且只有当组合载荷峰值达到100 kN时，岩石才会发生明显的体积破碎。
（2）载荷较小时，岩石倾向于发展侧向裂纹，岩石损伤成“宽而浅”特点。随着载荷的增大，在破岩初期，岩石更倾向于发展中间的深部裂纹，而后才倾向于发展侧向裂纹，即“窄而深”。
（3）岩石破碎的各项指标受各载荷参数的影响程度存在差异：即在相同的幅值增量条件下，增加动载幅度导致的破碎程度要大于增加相同静载荷时的破碎程度。
参考文献
Akesson U， Hansson J， Stigh J. Characterisation of microcracks in the Bohus granite， western Sweden， caused by uniaxial cyclic loading［J］. Engineering Geology， 2004，72（1-2）：131-142. [百度学术]
Bagde M N， Petroš V. Fatigue properties of intact sandstone samples subjected to dynamic uniaxial cyclical loading［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2005，42（2）：237-250. [百度学术]
Bagde M N， Petroš V. Fatigue and dynamic energy behaviour of rock subjected to cyclical loading［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2009，46（1）：200-209. [百度学术]
Ožbolt J， Sharma A， Reinhardt H-W. Dynamic fracture of concrete-compact tension specimen［J］. International Journal of Solids and Structures， 2011，48（10）：1534-1543. [百度学术]
Li X B， Lok T S， Zhao J. Dynamic Characteristics of Granite Subjected to Intermediate Loading Rate［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering， 2004，38（1）：21-39. [百度学术]
Zhang H， Song H， Kang Y， et al. Experimental Analysis on Deformation Evolution and Crack Propagation of Rock Under Cyclic Indentation［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering， 2012，46（5）：1053-1059. [百度学术]
Li S Q， Yan T， Li W， et al. Modeling of vibration response of rock by harmonic impact［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2015，23：90-96. [百度学术]
R. J. Christenson， Swanson S R， Brown W S. Split-Hopkinson-bar tests on rock under confining pressure［J］. Experimental Mechanics， 1972，12（11）：508-513. [百度学术]
李夕兵，周子龙，邓义芳，等.动静组合加载岩石力学实验方法与装置：200510032031［P］.2006-02-08. [百度学术]
宫凤强.动静组合加载下岩石力学特性和动态抗压强度准则的试验研究［D］.长沙：中南大学，2010. [百度学术]
宫凤强， 李夕兵， 刘希灵，等.一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（10）：2076-2085. [百度学术]
殷志强.高应力储能岩体动力扰动破裂特征研究［D］.长沙：中南大学，2012. [百度学术]
崔栋梁.三维动静组合荷载下高应力岩体动力特性及岩爆研究［D］.长沙：中南大学，2007. [百度学术]
