基于岩石表面位移场的超声波振动下花岗岩损伤特性试验研究

超声波振动碎岩技术作为解决硬岩钻进难题的新方法,其技术可行性受到国内外学者的大量验证,但是对于超声波振动下硬岩破碎机理的认识还存在不足。超声波振动下岩石表面径向响应位移与内部损伤状态存在着必然的联系,本文通过监测岩石在超声波振动过程中表面不同深度处的径向响应位移,利用应力波传播理论从能量耗散角度分析了岩石表面不同深度监测点径向响应位移的时空演化与岩石内部损伤发展的关系,得出超声波振动下岩石损伤主要由振动头高频冲击岩石造成的Hertz锥形环状裂纹和超声波振动交变应力产生的疲劳拉伸裂纹造成的,Hertz锥形环状裂纹的扩展深度为10 mm,疲劳损伤裂纹主要在10~20 mm深度处产生,超声波振动下岩石发生局部宏观破碎前存在着明显的径向响应位移征兆,岩石表面径向响应位移可以作为超声波振动下的破坏判据。本文的研究对于丰富超声波振动下硬岩的破碎机理具有重要意义。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率。采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏。超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果。超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用。     

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。     

超声波振动下非均匀岩石损伤过程数值模拟与试验

在振动载荷作用下,岩石内部细观缺陷的发展将导致其宏观力学性能的劣化。为了提高超声波振动碎岩效率,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,对超声波振动下岩石内部的损伤过程进行分析;采用有限元与统计技术相结合的方法,建立岩石二维模型,引入损伤增量因子的概念,分析岩石非均匀性对岩石裂纹扩展过程的影响。研究结果表明:1)岩石材料在超声波振动下的损伤过程分为萌生、扩展、贯通3个阶段,随着非均匀系数的增加,岩石原始裂纹的扩展效率逐渐加快。2)损伤因子存在一个临界值,约为0.005 4:当某一时刻岩石的损伤因子低于0.005 4时,损伤增量因子与非均匀系数的响应关系不明显;当损伤因子高于0.005 4时,损伤增量因子随着非均匀系数的增大而急剧增大,此时岩石非均匀性对损伤因子的影响不容忽视。     

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。     

全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理的有限元分析

针对坚硬地层破岩效率低、钻具粘滑振动造成钻头寿命降低等问题,通过ANSYS有限元分析软件对全尺寸钻头复合冲击破岩机理进行研究。分析了冲击频率、钻压和转速对钻头破岩效率的影响,通过分析发现钻头破岩过程中,岩石内部既存在拉应力,也存在压应力,岩石破坏表现形式为“拉伸+压剪”的综合作用破坏。研究得出在扭转冲击频率为25 Hz条件下,此时轴向冲击的最佳频率为13 Hz,在这2种冲击频率的配合下机械钻速最快;钻压对机械钻速影响较大,两者呈线性正相关关系,并回归出有无冲击载荷条件下钻头机械钻速与钻压的变化关系式;转速对机械钻速的影响较小,两者呈微增趋势,分析认为是坚硬岩层使PDC钻头变切削为研磨状态导致机械钻速变化不大;复合冲击在地层钻进中能明显提高机械钻速。全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理研究对于钻进效率的提高和复合冲击技术的发展具有重要意义。     

基于冲击载荷的硬质合金球齿碎岩机理研究

在滑坡防治大直径桩孔施工过程中,快速钻进是治理成功的关键。因此选用合适的钻进机具与工艺极其重要,而气动潜孔锤因钻进效率高被广泛应用。气动潜孔锤钻进过程中,通过钻头底部球齿对岩石进行切削,达到高效碎岩目的,但球齿在破碎岩石过程中若冲击功选用不恰当,会导致能量损耗增大、球齿磨损较快、钻进效率低等问题,因此选用合适的冲击功进行碎岩具有重要意义。本文采用ABAQUS软件对单个球齿冲击岩石的过程进行了数值模拟,并进行了冲锤自由落体冲击实验,分析?19 mm的球齿在不同冲击功条件下的碎岩机理、破碎面积的变化规律。结果表明球齿碎岩机理分为3个阶段：弹性变形、压裂、体积破碎,且当球齿以30 J冲击功钻进花岗岩时,可有效降低能量损耗与提高碎岩效率。     

摩擦热-机械碎岩钻进技术试验研究

摩擦热－机械碎岩钻进技术是利用钻头与岩石产生的摩擦热能加入弱化岩石，然后利用钻头上的切削元件切削碎岩。由于大部分岩石在高温和交变热应力作用下其强度、硬度以及磨蚀性都大幅度降低，因此提高了钻进效率。钻头摩擦元件采用了新型的耐摩擦耐高温的赛隆陶瓷材料，耐磨性是YG6硬质合金的3~5倍，而价格仅为硬质合金的1/10；对钻具和钻头的结构也进行了详细的论述；钻进试验表明：热机碎岩钻具摩擦元件能产生足够高的温度场(大于600 ℃)；热机碎岩钻进技术是切实可行的，能提高钻进效率，降低钻进成本。     

煤矿地下水库岩体碎胀特性试验研究

鉴于岩石碎胀特性对于煤矿地下水库储水能力及地表沉陷的重要影响,选取神东矿区某矿22615面为工程背景,利用相似材料模型试验探究采空区垮落岩体应力及碎胀系数分布规律,明确垮落岩体应力-碎胀系数关系,并通过岩石压实试验进行验证,揭示饱水岩石压实特性。研究结果表明：沿采空区走向,边界附近老顶悬臂梁结构限制覆岩下沉,垮落岩体应力最低仅为0.32 MPa,碎胀系数最大达1.48;中间区域老顶结构失稳覆岩完全下沉,垮落岩体应力趋于1.5 MPa,碎胀系数降至1.09。沿采空区垂向,垮落岩体应力随高度负相关改变,而碎胀系数成正相关变化。无论沿采空区走向或垂向,垮落岩体碎胀系数与应力均满足负对数关系。与自然岩石相比,受载饱水岩石碎胀系数减幅更为明显,两者相差8.514%,为煤矿地下水库储水量和地表沉降量预测提供了基础理论依据。     

黄土完全软化强度与残余强度的对比试验研究

为了解决复活蠕滑型黄土滑坡强度参数的取值问题,开展完全软化强度与残余强度的对比试验研究。以山西地区典型黄土为研究对象,采用预压固结法制备饱和重塑试样,并进行反复直剪强度试验获取完全软化强度和残余强度参数。试验结果表明：黄土的完全软化强度以黏聚力为零、颗粒未发生定向排列为主要特征。完全软化强度与二次固结应力和黏粒含量有关。试样在二次固结应力小于300kPa时的应力-应变曲线呈应变软化型,完全软化强度大于残余强度,黏粒含量高的试样应变软化更显著; 试样在二次固结应力大于等于300kPa时的应力应变曲线呈理想塑性型,完全软化强度近似等于残余强度。完全软化内摩擦角与残余内摩擦角的差值和预压固结应力、二次固结应力及黏粒含量有关。完全软化内摩擦角与残余内摩擦角的差值随二次固结应力的增大而减小,最终趋于0。当预压固结应力小于300kPa时,内摩擦角差值及黏粒含量对内摩擦角差值的影响随着预压固结应力的减小呈乘幂性增大; 当预压固结应力大于等于300kPa时,完全软化强度近似等于残余强度,可用完全软化强度近似代替残余强度。研究结论为复活蠕滑型黄土滑坡稳定性分析时强度参数的取值提供了一定的参考。     

新型广谱金刚石破碎岩石工具的研制

新型广谱金刚石钻头由钻头钢体和金刚石刀头组成。金刚石刀头由若干含金刚石孕镶层和纯合金层相间组成，该新型金刚石头破碎岩石是以金刚石破碎为主，以破碎穴效应为辅的方式进行的。     

岭澳核电三期强风化角岩边坡岩体直剪试验研究

采用堆载法进行天然状态与饱和状态下强风化角岩边坡岩体的现场直接剪切试验,获得不同正应力水平下剪切应力-剪切变形关系曲线和剪切强度参数,对其剪切应力-剪切变形关系曲线特征和不同正应力作用下剪应力随正应力的变化规律以及水-力耦合作用对剪切强度与变形特性影响进行了分析。试验结果表明：岩体峰值剪切强度和屈服剪切强度均随正应力的增大而增大;天然状态和饱水状态下剪应力随不同正应力的变化趋势基本相同;岩体剪切强度随含水率的增大而减小,在低法向应力下尤其敏感;水对岩体强度参数中黏聚力c的弱化作用更加明显,同时加大了岩体变形量,延长了岩体变形过程;通过现场直剪试验测得的法向变形可以估算岩体的压缩模量,为边坡稳定性分析提供参数。     

高频振动下散粒体-结构界面临界状态强度特征试验研究

高铁桥梁、路基工程中的桩基础持续承受列车运行引发的振动荷载,当前350 km/h车速下的车致振动已高达近40 Hz。随着车速的进一步提升,可能给桩基础承载性能带来不利影响。桩-土界面是桩和地基土之间力和变形传递的重要媒介,很大程度上决定着桩基础的长期服役性能。但目前对于高频振动荷载下桩-土界面相互作用行为的认识和研究均不足。基于自主研制的可实现土-结构界面高频振动耦合静力剪切的试验装置,研究了散粒体-结构界面在振动下的临界状态强度特征,探讨了振动加速度、法向应力、结构面粗糙度、颗粒形状和振动频率的影响。结果表明：振动会导致界面强度衰减,部分振动条件下的界面强度甚至低于静力条件下的0.5倍;振动下的界面强度随振动加速度、频率的增大而下降,随法向应力的增大而提高。最后,基于摩尔-库仑强度理论,建立了振动下的散粒体-结构界面强度准则。     

循环荷载下含软弱夹层岩体声学特性试验研究

利用振动试验台系统研究循环荷载作用下含软弱夹层岩体的疲劳损伤特性,结合超声波检测仪和动态信号测试分析系统,对疲劳损伤过程中缺陷岩体声学参数进行实时的监测和细致的研究。结果表明:整个疲劳周期内,不同损伤阶段超声波波速变化最为敏感,呈倒S型衰减规律;波形在损伤过程中从近似半圆形逐渐发生畸变,波形相关性系数总体上随循环次数比的增加呈下降趋势;超声波波幅在疲劳损伤中期波动较大,频域最大幅值和主频变化特征曲线规律不明显,仅在临近破坏时才表现出快速下降趋势,无法对其真实频域特性进行有效分析和识别。最后,基于超声波波速定义损伤变量,提出以Logistic方程的逆函数形式或4次多项式方程来描述含软弱夹层岩体疲劳累积损伤演化方程。研究成果可为各类振动环境下边坡的疲劳稳定性评价和加固工程设计奠定理论基础。     

基于岩石性质的钻进振动响应分析

岩石在钻头破岩工作时会产生振动,为了研究岩石特性对钻进过程中岩石振动的影响,提出一种基于振动的岩石特性识别方法。通过振动学理论和弹性力学知识建立岩石振动方程,利用数值模拟软件分析不同参数对岩石振动的影响。研究表明：冲击荷载下岩石产生振动,岩石特性对振动有紧密关系;岩石的密度、刚度和抗压强度对岩石的振动都有一定影响,其中岩石强度对振动的影响最为明显;岩石刚度越小,强度越小,在冲击荷载作用下,岩石振动越大。研究冲击钻进过程岩石的振动特性,对钻进参数设置以及岩性的识别有重要意义。     

强震作用下山体崩塌破坏有限元分析

基于汶川大地震下,山体边坡发生大规模塌滑等地质灾害的现状,为了深入研究山体在强震动力作用下进入非线性状态并开裂破坏的力学机理,通过理论研究从拉张破裂的角度对山体崩塌机制进行分析,并给出拉张判据。用有限元开发程序对山体边坡在强震动力作用下拉张破坏进行数值模拟,并与振动平台相似材料实验下的监测结果对比分析。表明,强震荷载激励下,岩石第一主（拉）应力极易达到其抗拉强度,则岩体优先发生拉张破裂。在强震动力作用过程中,拉张破裂不断积累,即在松动区的松散程度和松散范围不断增大,形成山体塌滑趋势。揭示了山体边坡从连续介质状态开始崩塌破裂的发生机制,为后续进行复杂的山体破坏力学研究提供依据。     

岩土超声波测试研究进展及应用综述

超声波在岩土介质中传播时携带了许多与岩土物理力学性质有关的信息,这些信息可综合反映到声学参数如超声波速、衰减系数、波形、频率、频谱及振幅等的变化上,根据这些参数可反演得到岩土体的物理力学指标及细观结构特征,从而解决一系列的岩土工程问题。首先对超声波无损检测可以解决的岩土工程问题进行了概述。其次系统地阐述了土体和岩石(体)超声试验的研究进展:土体强度参数声学特性的试验研究、土体微结构参数的超声探测、岩石强度参数的超声测试研究、超声波速在岩石破裂方面的应用研究、超声波声波衰减在岩石材料中的应用、超声波速度和衰减各向异性的研究及超声波流体流动试验的研究。最后,笔者将超声波测试拓宽到土石混合体研究领域,探讨了不同含石量试样的波速和衰减规律,以及损伤声学参数对试样在单轴压缩作用下裂纹扩展的细观损伤特性的研究,更进一步说明了土石混合材料即不有别于土也不同于岩的特殊性。在以上研究基础上,基于超声波岩土试验国内外研究动态的总结,对其未来的发展趋势进行了展望。