超声波振动辅助碎岩技术是一个潜在的可有效加速硬岩钻探的技术手段,对于该辅助碎岩技术的研究目前正处于室内试验及理论层次,考虑到问题的复杂性,现阶段开展单纯超声波振动载荷作用下岩石破碎机理的研究是合理且符合客观认知规律的。超声波振动作用下,岩石破碎的主要原因之一是其受高频振动载荷过程中产生了疲劳损伤,当这类损伤累积到使得岩石裂纹发生萌生扩展的临界值后,结构就会发生宏观破坏。深入探究岩石在超声波振动过程中的疲劳特性对于认识超声波振动下岩石的破碎机理,并进一步加速将超声波振动辅助碎岩技术应用于硬岩钻进领域的进程很有必要。目前对该问题的研究依旧处于初级阶段,对在超声波振动这类高频、低幅循环载荷作用下岩石产生疲劳损伤的机理以及关键载荷参数如何影响岩石疲劳损伤的认识尚不明确。因此,本文选择钻探过程中常见的硬岩花岗岩作为研究对象,基于岩石及金属材料的疲劳损伤理论和超声波振动载荷的特点,建立了适用于超声波振动这类高频、低幅加载条件下岩石的疲劳损伤模型,从室内试验角度分别就岩石的局部和全场变形过程进行了深入分析,同时研究了振动幅值对岩石疲劳损伤的影响规律,最后利用细观数值模拟方法探究了岩石内部裂纹萌生扩展过程及裂纹的产生机理并优选了岩石在超声波振动作用下的疲劳损伤本构模型。主要的研究工作和成果如下:(1)岩石在超声波振动过程中的力学响应特征分为两点,一是应力应变曲线的非线性特性,主要表现为加卸载应力应变曲线的不重叠现象,即产生了滞回效应。第二个特征为局部化的损伤特征,由于超声波振动加载条件频率高,因而能量在传递过程中会发生较快地耗散,最终造成岩石不同位置处产生明显的损伤非均质现象。任何一种损伤模型都是建立在损伤这个概念上的,当材料承受循环作用力时,每一循环都使材料产生一定量的损伤,这种损伤导致的现象就是产生了塑性变形。由于超声波振动幅值较小,单个周期内累积的塑性变形也很小。当这种微小的损伤不断累积,并累积到临界值后,结构就会发生破坏。本研究基于以上两个特征,结合已有的本构模型,建立了“基于宏观现象”和“基于内在机理”两个疲劳损伤模型用以描述岩石在超声波振动过程中力学响应过程,并分析岩石在此过程中发生疲劳损伤的机理。(2)采用应变实验从岩石局部形变角度切入分析,探究超声波振动下疲劳特性,主要包括岩石在超声波振动作用下的局部变形过程及损伤演化过程。局部应变试验结果表明岩石在超声波振动作用下,从加载开始至产生剧烈碎块的变形过程可以分为三个阶段,压缩阶段、变形稳定阶段和变形反向增大阶段。在压缩阶段,主要发生了裂纹闭合及滑移,轴向压缩变形量不断增大,岩石变得更为“致密”,因而岩石的刚度和固有频率增大,岩石内应力水平加大;之后进入稳定阶段,此阶段新裂纹萌生,已有裂纹扩展,产生了初始碎块;最终伴随着初始碎块的产生,应力集中变得更为明显,萌生和扩展的裂纹进一步相互贯通,造成大量岩石碎块产生。(3)采用全场DIC应变试验监测了不同振幅系数超声波振动过程中岩石表面的径向和轴向应变场用于分析超声波振动作用下岩石全场疲劳变形规律和超声波振幅对岩石疲劳特性的影响规律。结果表明,根据岩石的峰值应变曲线可以将宏观裂纹产生前的过程划分为两个阶段,在第一阶段,应变增长速度较低,之后进而第二阶段开始快速增长,直至产生宏观裂纹。岩石的径向应变集中区域对应于岩石最终产生裂纹的区域,应变集中区域长轴方向与裂纹走向相一致,近乎平行于加载方向。与此同时,确定了使得岩石产生宏观损伤的径向应变阈值,且振幅越大,达到该阈值所需的时间越短。(4)选用二维颗粒流分析软件(PFC2D)开展超声波振动碎岩数值模拟研究,用于探究岩石受高频超声波振动作用下产生疲劳损伤的规律及机理。利用“cluster扩展法”根据花岗岩矿物几何特性建立颗粒流岩石模型,将flat-joint接触模型赋予于颗粒之间用以模拟花岗岩的硬脆特性,同时分别设置岩石材料不同矿物组分的力学参数以实现高效模拟真实岩石基本力学属性的目的。为了弄清岩石在超声波振动过程中的疲劳损伤特性,将“基于宏观现象”的本构模型在颗粒流数值模拟软件中实现,进一步开展超声波振动碎岩模拟。为了保证模拟的可靠性,还考虑了加载方式、超声波振动特性、大地半无限体的模拟。根据裂纹方向角及裂纹类型模拟结果,将超声波振动下岩石疲劳损伤及裂纹演化过程划分为五个阶段,分别为未受损阶段、裂纹初始萌生阶段、裂纹加速发展阶段、裂纹稳定发展阶段和最终岩石失效阶段,并进一步揭示了基于此模型下,超声振动作用下拉伸与剪切裂纹产生的机理。(5)继续以“cluster”概念为基础,利用PFC2D创建Voronoi晶粒含初始裂纹的花岗岩模型,此模型相比“cluster扩展法”构建的岩石模型能更准确地体现晶粒形状特性。同时,将“基于内在机理”的岩石疲劳本构模型(利用非粘结smooth-joint接触模型模拟初始裂纹来反映裂纹的滑移特性)融入颗粒流数值模拟中,并进一步开展超声波振动下岩石破碎过程数值模拟。通过模拟结果发现,“基于宏观现象”及“基于内在机理”的岩石本构模型使得岩石产生疲劳损伤的原因都归结为不断增大的不可逆变形。但就最终的疲劳特征,“基于内在机理”的疲劳本构模型描述地更为准确。基于此模拟结果,揭示了岩石在超声波振动这类高频低幅载荷作用下的裂纹扩展机理。