基于岩石损伤本构的破碎比功评价模型研究与应用

由于钻头上的牙齿在油气井中是连续破碎岩石的,而传统破碎比功仅能评价牙齿单次加载的破岩效率,不能评价和预测牙齿二次加载及连续加载的破岩效果。基于ANSYS自定义损伤本构的二次开发,建立了试验和仿真的二次破碎比功和总破碎比功模型。选用单齿单次压入破岩工况,结合试验和理论计算验证了损伤本构模型和数值仿真方法的正确性,最后利用二次开发的损伤本构模型对单齿一次、二次和连续总的破碎比功进行了分析。结果表明,基于损伤本构的破碎比功评价模型能够准确地预测二次破碎及连续破碎的效果,且随着载荷增加破碎比功缓慢下降,与单齿一次破碎比相比,在同一处的二次破碎及连续两次破碎的破碎比功将分别减小约80%和60%。     

高频微幅冲击振动作用下岩石破碎行为计算方法

针对现有岩石破碎研究的现状以及不足,进行高频微幅冲击振动作用下的岩石破碎行为计算方法研究。首先建立高频微幅冲击振动模型,在此基础上建立求解破岩体积、破岩比功、岩石裂纹长度的计算方法,并分析冲击频率、幅值对岩石破岩效率的影响。通过对比试验与算例结果,验证了计算方法的可靠性。结果表明:当冲击频率增加到2 000 Hz时,冲击时间的周期将减小到0.001 s,冲击力将会增加到12 900 N,钻头吃入岩石的深度以及冲击末速度也对应增加;并且高冲击频率、低幅值能够增加破岩体积、减小破岩比功、增加岩石裂纹长度。研究结论对于提高破岩效率,进行高频微幅冲击振动破岩的技术研究与工具研制具有参考价值。     

单齿冲击作用下破岩机制分析

研究牙齿冲击下破岩机制是提高冲旋破岩效率的理论基础,目前对牙齿低速冲击下的岩石力学研究主要集中在仿真和试验,因此,有必要研究牙齿低速冲击下的破岩机制。首先分析了单齿冲击下岩石破碎坑的形貌,提出了分区建立物理模型和力学模型。考虑到单齿冲击的低速条件和岩石围压效应,得到修正的球形空腔膨胀理论,推导了岩石破碎坑的密实区、开裂区、弹性区3个区域的应力与位移解析解。利用Matlab对各区域解析解进行数值求解,得到了围压、质点运动速度以及岩石物理性质参数等对破碎坑各区域无量纲应力和位移变化的影响,采用仿真试验验证结果的正确性。该模型不仅解释了岩石破碎坑的形成,而且也提供了一种分析牙齿冲击破岩力学模型。     

双粒子联合冲击破岩仿真研究

单粒子冲击破岩与粒子冲击钻井的真实工况有一定的差异,因此,需要研究多粒子联合冲击破岩的规律。在双粒子联合冲击破岩条件下,利用LS-DYNA的参数化设计语言,采用无量纲化分析方法,选择粒子间距、直径、初速度和入射角度为设计变量,建立了它们与岩石破碎体积和侵入深度之间的关系,并绘制了它们之间的变化关系曲线图。进一步分析这些曲线图的变化规律后发现：间距为0.25个左右的基准直径、粒子直径取0.8~1个基准直径、冲击初速度取每秒32 000~40 000个基准直径、入射角度为0°~40°,粒子冲击破碎岩石效果达到最佳或接近最佳。这些结果可以作为深入研究多粒子联合冲击破岩的参考依据。     

同轴双向回转钻进破岩效率研究

国内外相关研究均显示同轴双向回转可有效降低钻具振动和提高破岩效率,但双向回转相对传统单向回转的钻进效率的提升水平研究较少。据此,本文建立双向回转钻头以及单向回转钻头与岩石相互作用的有限元模型,以破岩比功作为评价指标量化比较分析了2种钻头的破岩效率。通过定义双向钻头内外壁尺寸差、内外钻头的间隙、内钻头壁厚与双向钻头内外壁尺寸差之比、内外钻头转速比和内外钻头底部高度差5种核心参数,并设计正交试验完成了仿真分析。结果显示,内外钻头高度差与内外钻头间隙对于破岩比功影响比较小,内外钻头尺寸差、内外钻头转速比和内钻头壁厚与双向钻头内外尺寸差之比对破岩比功影响显著。     

基于MatDEM的TBM滚刀破岩机理研究

全断面隧道掘进机(TBM)以其高效、安全、环保等诸多优势被广泛地应用于隧道工程建设中,其中滚刀破岩机理是TBM设计阶段和施工阶段的核心问题。由于岩石与滚刀相互作用时会发生断裂破碎,离散元法(DEM)成为研究滚刀破岩机理的有效手段,但采用一般离散元软件构建的模型尺寸相对较小,且多简化为二维侵入问题,尺寸效应明显。采用基于离散元法的MatDEM软件构建滚刀破岩大尺寸三维模型,模拟真实滚刀破岩过程。采用团簇单元模拟刚性滚刀,实现双滚刀在不同条件下的破岩动态过程。监测破岩过程中滚刀的受力特征,计算分析不同刀间距/贯入度比(S/P)下的滚刀受力模型和比能变化。模拟结果表明,滚刀破岩时的滚刀力是一种复杂无规律的冲击荷载,其值与滚刀切割参数、岩石性质等因素有关;贯入度和刀间距的增加导致滚刀需要更大的力来破碎岩石;对于一种岩石材料,存在最优刀间距/贯入度比值,使得破岩比能最小;MatDEM软件能较好模拟滚刀的破岩过程,与室内线性切割试验相结合,有利于深入、全面地探索滚刀破岩机理。     

压入硬度的修正方法──根据硬度和塑性系数估算破岩比功

通过分析压入硬度和破岩比功的关系,得出比功更能综合反映岩石的破碎难易程度的结论。为简化比功的测定方法,提出根据压入硬度、塑性系数及破碎坑体积扩大率来估算比功的方法,推导出比功的计算公式,并对比功的计算值和实测值进行了对比,具有一定应用价值。     

超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析

PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。     

基于Selfrag高压电脉冲放电破岩试验的仿真模拟

高压电脉冲破岩在高温等离子弧的作用下,产生的热应力超过岩石的强度极限时就会使岩石破碎,其破碎坚硬岩石有显著效果。为研究电压、岩石矿物成分、孔隙率3个参数对岩石内电场强度分布的影响,本文基于Selfrag高压电脉冲破岩的试验数据,利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了一种针针电极结构仿真模型。结果表明,施加的电压不同,岩石内部电场强度分布不同;电场在不同矿物成分边界发生畸变,不同矿物成分相对介电常数变化越大,产生畸变越明显,高压电脉冲破碎优先发生在不同矿物成分的接触面;岩石内孔隙的存在,使其周围的电场发生了畸变,其他参数一定,孔隙率越大,岩石越容易被电击穿。研究结论可为高压电脉冲钻井破岩参数的选取提供参考。     

基于新表面理论的TBM破岩效率评价指标

岩碴是岩-机作用的直接产物,也是评价隧道掘进机（TBM）破岩效率和优化TBM掘进参数的有效指标。依托兰州水源地建设工程和龙岩万安溪引水工程,开展不同岩性条件下TBM岩碴筛分试验,得到了岩碴粒径分布规律。基于新表面理论,从滚刀破岩能量转化角度出发,提出了一种新的TBM破岩效率评价指标。基于岩碴粒径分布规律和TBM掘进参数统计,探讨了新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数之间的关系,指出了新表面理论指标在反映岩碴破碎程度和评价TBM破岩效率方面的优势。对新表面理论指标与TBM掘进推力以及刀间距s与贯入度p的比值进行回归分析,得到了硬岩（围岩等级为Ⅱ级）和软岩（围岩等级为III级）掘进条件下的TBM最优掘进推力和s/p取值区间。研究表明：（1）新表面理论指标符合岩石破碎学原理,可准确评价TBM破岩效率。岩碴越是破碎,新表面理论指标越大,掘进能耗越高,此时TBM破岩效率相对较低。（2）新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数均具有良好的线性相关关系。岩碴越是破碎,破碎单位体积岩石的能量消耗越大,新表面理论指标越大,对应的粗糙度指数越小。软岩掘进条件下TBM掘进比能低于硬岩,而岩碴破碎程度高于硬岩。（...     

软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究

采集贵广铁路天平山隧道典型软弱破碎围岩岩样,在室内开展三轴常规压缩和三轴压缩蠕变试验。基于岩石试验成果,分析炭质页岩的蠕变力学特性,低应力水平条件下岩石仅出现减速蠕变和等速蠕变阶段,在更高的应力水平条件下,岩石并未出现加速蠕变的现象,但围压在一定程度上提高岩石的屈服强度,弹性模量亦有随着围压增加而增大的趋势。据此,建立依托工程炭质页岩蠕变全过程的黏弹塑性应变软化蠕变力学模型,推导该蠕变力学模型在三维应力状态下的本构方程,并确定模型的参数,运用最小二乘法对模型的参数进行辨识。通过与试验曲线对比显示,所建蠕变模型能够描述依托工程炭质页岩的蠕变力学特征,可以用来研究该隧道软弱破碎围岩的蠕变性质和稳定性。     

基于量化GSI系统的破碎岩体应变软化行为研究

松软破碎岩体的复杂力学特性给深部开采工程带来一系列棘手的问题,深入研究破碎岩体峰后力学行为,对于深部巷道围岩稳定性分析及支护结构设计具有重要意义。基于量化GSI围岩评级系统及连续介质理论,建立了考虑围压影响的破碎岩体峰后应变软化力学模型。通过工程应用实例验证了数值模型的可靠性。研究结果表明：通过计算围岩与支护结构相互作用关系可知,理想弹塑性模型和应变软化模型所得计算结果差异较大,采用理想弹塑性模型进行支护设计,可能导致支护结构的安全性偏低,甚至失稳。现场应用结果表明：数值计算结果与现场实际情况吻合;提出的深部破碎岩体应变软化模型能够较为真实地反映破碎岩体的非线性破坏行为,可为硐室围岩稳定性分析及支护结构设计等提供新的思路。     

考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法及其在围岩稳定性分析中的应用

考虑洞室开挖后围岩的力学状态和岩石力学众多问题的不确定性本质,通过弹性模量折减的方法,建立了考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法,并编写了相应算法程序。利用基于文件操作的Fortran与VC++交互通信技术,一方面,为隧道施工量测管理与围岩稳定智能分析系统增加了非确定性反分析模块;另一方面,也使反分析能够利用该系统的图形模块进行前后处理,使该方法的工程应用更加简单,为该法的应用推广创造了很好的条件。用反分析法求出围岩初始参数后,通过有限元正分析可求出全域最大剪应变,并与试验和理论推演获得的临界剪应变相比较,进而进行围岩稳定性判定。由于该围岩稳定性分析法摒弃了一般有限元正分析在围岩初始应力场上的不合理假设,因而结果更贴切实际,更具合理性。对白云隧道YK48+737断面的现场监测数据进行了跟踪反演,获得了该断面围岩塑性区历时变化图,从而及时地了解了围岩的稳定状况,指导了设计和施工。     

基于模糊综合评判的路基易滑岩层优势结构面研究

优势结构面理论已逐渐在岩土工程中应用。首次将物元模糊耦合评价方法应用于岩体优势结构面的确定中,提出基于物元可拓法的模糊综合评判模型。该模型把易滑岩层的结构面状况作为物元的事物,以结构面的各项几何、物理参数指标及其相应的模糊量值构造复合模糊物元,通过关联度计算,实现对优势结构面的判定。该模型能很好地处理易滑岩层优势结构面计算过程中岩土体性质、规模、产状、分形优势指标及活动状况等不确定的模糊因素,为路基易滑岩层优势结构面的评判提供了一种新途径。此方法克服了传统方法确定优势结构面只考虑数量优势而忽略质量优势的缺点,使结构面评价更合理。通过介绍这种方法的基本理论和操作步骤,并在一工程实例中加以运用。可以看出,该模型有效地保证了工程优势结构面计算中评判的客观性和指标的相容性,大大提高了计算的精度与效率。     

人工神经网络在边坡滑移预测中的应用

利用一项实际边坡工程的多年实测滑移资料，基于人工神经网络方法，建立了非线性人工神经网络分析模型，从而能够较精确地对该边坡的滑移进行预测，通过本工程实际的应用实践，发现它可避开复杂的本构模型而成为解决岩土工程问题的新途径。     

Artificial neural network model for prediction of rock properties from sound level produced during drilling

In many rock engineering applications such as foundations, slopes and tunnels, the intact rock properties are not actually determined by laboratory tests, due to the requirements of high quality core samples and sophisticated test equipments. Thus, predicting the rock properties by using empirical equations has been an attractive research topic relating to rock engineering practice for many years. Soft computing techniques are now being used as alternative statistical tools. In this study, artificial neural network models were developed to predict the rock properties of the intact rock, by using sound level produced during rock drilling. A database of 832 datasets, including drill bit diameter, drill bit speed, penetration rate of the drill bit and equivalent sound level (L_eq) produced during drilling for input parameters, and uniaxial compressive strength (UCS), Schmidt rebound number (SRN), dry density (ρ), P-wave velocity (V_p), tensile strength (TS), modulus of elasticity (E) and percentage porosity (n) of intact rock for output, was established. The constructed models were checked using various prediction performance indices. Goodness of the fit measures revealed that recommended ANN model fitted the data as accurately as experimental results, indicating the usefulness of artificial neural networks in predicting rock properties.     

千灵山岩质边坡地质雷达探测及稳定性分析

岩质高陡边坡容易产生边坡失稳、崩塌滑落等地质灾害,其稳定性分析尤为重要。以北京市丰台区千灵山岩质高陡边坡为例,根据地质雷达实测剖面分析得到的岩体内部结构及室内试验获得的岩石力学参数,建立了边坡的地质力学模型,并用有限元强度折减法对千灵山岩质高陡边坡进行稳定性分析,得到了高陡岩质边坡安全稳定系数和潜在滑动面,具有一定的实用价值。     

基于模糊集重心理论的岩体分类

将模糊综合评判方法应用于岩体分类可造成评判信息丢失,影响评判结果的准确性和可信度。针对该缺陷,引入模糊集重心理论,克服了综合评判方法中某些因素由于权值较小而被“淹没”的现象。在此基础上,选取了岩石质量指标、单轴抗压强度、岩体完整性系数、岩石软化系数、最大地震烈度和地下水渗水量这6个对岩体质量及其稳定性影响比较大的因素,以正态分布作为其隶属函数,采用加权平均值法确定各因素权重值,建立了基于模糊集重心理论的岩体模糊分类方法。结合具体的工程实例,阐明了上述各因素模糊集重心的计算方法。利用基于模糊集重心的岩体模糊分类方法,研究了某一地下工程围岩的稳定性级别,并与模糊综合评判方法计算的结果和围岩的实际稳定情况进行了对比,验证了方法的准确性和适用性。     

岩石破坏后的注浆固结体的力学性能

在破裂岩石残余强度和变形性能研究的基础上,进一步开展其注浆固结体的力学性能试验研究。试验证实注浆固结后破裂岩块残余强度有不同程度的提高,同时发现其侧向变形和径向变形趋向协调,从而提高了破裂岩块的塑性变形性能,并在较大变形范围内保持稳定的承载能力。试验结果有助于解释围岩注浆加固控制巷道变形的机理。