基于PFC2D岩石颗粒破碎强度和能量的分形模型

颗粒的破碎强度随着粒径的增大而减小,即颗粒破碎的尺寸效应,分形模型为解释固体颗粒破碎的尺寸效应提供了可行的方法。根据岩石颗粒破碎时的分形特征,采用Sammis破碎准则,通过模拟分析得出岩石颗粒破碎能量和强度的分形模型,建立和验证用分维D来表示岩石颗粒破碎的能量和强度准则,得出并验证了岩石颗粒破碎分维的确定方法。利用离散元软件PFC2D的黏结颗粒模型BPM（Bonded Particle Model）模拟了小孔隙率n=0.12和大孔隙率n=0.3,即密实和松散两种情况。其中小孔隙率采用在模型上添加小颗粒的新方法,分别做了400组粒径不等的数值模拟试验,从粒径与破碎强度、破碎能量之间的关系和应力-应变曲线3个方面进行了统计,验证了岩石颗粒破碎强度与分维D的理论关系为σ_f∝dD-3,并得出颗粒破碎时的能量和与分维D之间的关系为E_f∝dD-1。验证了分形理论在分析颗粒破碎的尺寸效应中的较好应用,为确定岩石颗粒的破碎强度和岩石堆砌体剪切强度提供新的方法和参考意见。     

井底压力对岩石破碎的影响机制及应用研究

钻井液井底压力与地层孔隙压力是影响岩石破碎的重要因素,由于岩石具有一定的渗透率,在压力差的作用下钻井流体与地层流体之间会相互影响,导致靠近井底的地层孔隙压力发生变化。实际的地层孔隙压力随时间与距离变化的规律可以使用一维不稳定渗流模型来描述和计算。在此分析基础上,综合分析地应力、井底压力及钻头牙齿吃入地层产生的应力,计算出任意平面上所受的剪应力和正应力,然后使用摩尔–库仑准则来判定岩石的破坏。建立这样一个综合各种因素的井底岩石破碎模型,可以将各种因素尤其是实际井底压力差的作用清楚地表达出来。该模型可以较好地解释欠平衡钻井提高钻速的力学机制,并为随钻地层孔隙压力监测dc指数法的适用范围提供明确的计算方法     

基于GM(1,1)优化模型的岩石边坡变形预测

岩石边坡系统是一典型灰色系统。其变形发展过程可以用灰色预测模型完成。尽管传统GM（1，1）模型预测有很多成功的实例，但是也存在一些预测偏差过大的情况，必须对其进行优化。逐步迭代法GM（1，1）模型不仅收敛速度快，而且与原始数据序列的凹凸性保持一致。利用自编的计算程序对马步坎边坡观测点G1沉降和开裂进行预测分析，结果表明逐步迭代法GM（1，1）优化模型计算精度较传统GM（1，1）模型和背景构造法GM（1，1）优化模型高，较好地反映了岩石边坡的变形趋势。     

基于GM(1,1)优化模型的岩石边坡变形预报

岩石边坡系统是一典型灰色系统，其变形发展过程可以用灰色预测模型完成。尽管传统GM（1，1）模型预测有很多成功的实例，但是也存在一些预测偏差过大的情况，必须对其进行优化。逐步迭代法GM（1，1）模型不仅收敛速度快，而且与原始数据库序列的凹凸性保护一致。利用自编的计算程序对马步坎边坡预测测点G1沉降和开裂进行预测分析，结果表明逐步迭代法GM（1，1）优化模型计算精度较传统GM（1，1）模型和背景构造法GM（1，1）优化模型高，较好地反映了岩石边坡的变形趋势。     

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%。     

基于COMSOL的高压放电破碎岩石仿真研究

常规旋挖钻机在钻进硬岩地层钻孔桩时存在进尺困难,钻头磨损大等问题。高压脉冲放电岩石破碎技术作为一种新型非机械式岩石破碎技术,在硬岩钻进领域具有广阔的应用前景。本文在分析高压脉冲放电破碎岩石机理的基础上,运用COMSOL Multiphusics软件,建立电-热-力多物理场耦合模型,开展花岗岩和砂岩在电压、电极间距、电解质等条件下的破碎规律仿真研究。结果表明,随着电压的增大,岩石产生的破碎区域呈线性增大;电极间距的增大导致岩石破碎区域减小;液体介质的电导率大小对放电结果的影响不大;选用多电极对放电可有效增加岩石的破碎面积。研究结果可为高压放电破碎岩石技术提供参考。     

基于破碎单位体积岩石能耗量设计坚硬研磨性岩石用钻头方法的研究

深孔钻进时常常遇到坚硬岩石和研磨性岩石,在这种岩石中钻进时钻探技术指标不甚理想。建议以破碎单位体积岩石能耗低的标准来设计和研制孕镶金刚石钻头。按此标准设计的胎体扇形块上带有凸出和低洼切削齿的梳状金刚石钻头,在实验台上进行的试验,试验结果表明,与常规平底胎体金刚石钻头比较,破碎单位体积岩石能耗量降低了,机械钻速提高了,胎体单位进尺磨损量降低了。建议对这种新型钻头给以充分注意并进行进一步研究。     

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。     

颗粒破碎对钙质砂的应力-应变及强度影响研究

为了探究加筋对钙质砂力学性质及颗粒破碎的影响,使用大型三轴仪对加筋钙质砂和素钙质砂进行了一系列不同加筋层数、加筋材料种类及围压的三轴固结排水试验。研究方法如下：首先通过三轴试验及筛分试验,得到了不同试验条件下钙质砂的主应力差-轴向应变曲线、体应变-轴向应变曲线以及试验后的级配曲线;其次通过试验结果,分析了加筋对钙质砂强度、变形及颗粒破碎的影响;最后通过将钙质砂颗粒破碎与输入能量相关联,得到了钙质砂颗粒破碎的规律。研究结果表明：加筋钙质砂强度明显高于素钙质砂,且加筋效果随加筋层数与筋材2%延伸率割线刚度的增加而增加,但随围压的增加而减少。加筋同时也可以有效抑制钙质砂的剪胀,且加筋层数越多抑制效果越明显。另外,试验结果也表明钙质砂颗粒破碎程度与输入能量之间存在特定的关系,输入能量越大颗粒破碎程度越大,且这种关系与钙质砂加筋与否关系不大。     

基于DEM模拟的破碎对黄土滑坡动力学特征影响研究

为研究滑体破碎对黄土滑坡动力学过程的影响,基于PFC^2D建立了一种考虑到黄土特殊结构的可破碎离散元滑坡模型,通过改变细观强度参数生成不同强度滑体,模拟不同破碎率下的滑坡发生过程,分析了破碎对滑坡速度、流动性和堆积特征等方面的影响,再现了党川8^#滑坡从启动到停止全过程。结果表明：(1)滑体峰值速度与破碎率呈负相关,具体表现为：滑体最大运动速度随破碎率的增大呈幂函数减小。(2)破碎对滑坡流动性的促进作用可能存在某阈值点,使得当破碎率小于该值时,有效摩擦系数随破碎率的增大不显著降低,反之则迅速减小。(3)随着破碎程度的增加,滑坡堆积厚度减小,水平分布范围越广,分选降低,孔隙的分布趋于均一化,且最大堆积厚度的位置多位于地形低洼处。(4)党川8^#滑坡从失稳到停止运动总历时28 s,局部最大速度约17 m·s^-1,最远滑动距离约195 m,破碎率达到19%。揭示了破碎对黄土滑坡动力学过程的影响,对黄土滑坡动力学研究具有一定参考价值。     

基于能量原理盐岩的强度与破坏准则

讨论了盐岩变形过程中可释放弹性应变能与耗散能内在关系,并给出了基于弹性应变能的破坏准则。为了验证该准则的可行性,一方面利用Mohr准则、D-P准则、基于能量原理强度准则对围压分别为1、5、10、15 MPa一组三轴压缩试验进行了研究;另一方面,应用该准则对来源于其他文献的三轴试验数据就行了研究。研究结果表明,由于该准则仅需确定常规岩石力学参数,物理力学意义明确,试验值与理论值的相对误差较小,因此,该准则可作为盐岩破坏的判据。     

基于颗粒流模型的TBM滚刀破岩过程数值模拟研究

为了研究全断面岩石掘进机（TBM）盘型滚刀的破岩机制及其影响因素,采用颗粒流方法建立了岩石与滚刀的二维数值模型,实现了对TBM滚刀破岩过程的模拟。分析表明,滚刀的破岩过程可分为冲击挤压破碎、大量微裂纹生成、张拉性主裂纹扩展3个阶段,证实了滚刀破岩的挤压-张拉破坏理论。在滚刀侵入深度相同的前提下,随着刀圈刃角以及刃宽的增加,滚刀下的压碎区也相应增大,张拉性主裂纹数目增多,滚刀的破岩能力提高;与平刃刀圈相比,楔刃刀圈的“楔块劈裂”作用更加显著,使径向裂纹扩展得更快且更深入岩石内部。TBM滚刀对强度较高或较低岩石的破坏损伤较小,而对中等强度的岩石破坏损伤最为显著。     

基于应变能密度理论的岩石破裂数值模拟方法研究

采用双线性应变软化本构模型结合能量耗散原理建立了损伤本构方程,并通过应变能密度理论建立了细观单元岩石破坏的能量判别准则。当某一单元所存储的应变能超过某固定值时,单元进入损伤状态,同时单元的损伤程度随着能量耗散的增加而增加,损伤单元的材料属性也随之改变,直到变为具有一定残余强度的单元。随着荷载增加,单元损伤的程度变大,当单元储存的应变能超过所建立的能量判别准则时,定义单元破坏,随着破坏单元的数目不断增多,破坏单元相互连通形成宏观裂纹,实现了利用线性计算完成非线性计算的过程,避免了数值计算在单元断裂时的奇异性,模拟了岩石的峰后破裂行为。对上述算法利用FLAC中的FISH语言开发了岩石破裂化计算程序,并将该程序成功应用于巴西劈裂和中间裂隙拉伸试验的破裂模拟过程中,其模拟结果与相应的理论和试验结果吻合较好,说明该方法对于模拟岩石破裂过程的正确性和可行性。     

盘形滚刀破岩过程的数值研究

为了研究全断面岩石掘进机盘形滚刀的破岩过程以及盘形滚刀的结构参数（刀刃宽、刀刃角）对滚刀破岩特性的影响,利用离散元方法建立岩石与盘形滚刀的二维数值模型,研究了滚刀侵入岩石过程中贯入度、切削力以及裂纹数三者的关系,在此基础上通过仿真得到滚刀结构参数与岩石破碎特性的规律。研究结果表明：裂纹的扩展与滚刀受到的切削力密切相关;破岩过程中切削力先增大后减小的循环模式,证实了岩石跃进破碎特性。在盘形滚刀作用下,岩石中的应力是向下、向四周无限扩展的对称的应力泡。滚刀刀刃作用区域,应力值最高,随着滚刀贯入度增加,最大应力减小;远离滚刀刀刃区域,应力呈应力泡形式逐层降低至0。选择滚刀刀刃宽在10～15 mm之间,既避免滚刀受到的推力过大,又能提高滚刀的破岩效率;岩石破碎以滚刀刀刃下方向下发展裂纹的扩展为主,刀刃角在10°～20°之间,既能减少滚刀的磨损又能提高破岩效率。     

复合岩层中滚刀旋转切割破岩效率试验研究

TBM掘进经常遇到复合岩层,在该地层中施工对滚刀破岩非常不利。为了提高掘进效率,降低工程造价,开展复合岩层滚刀破岩效率研究很有必要。鉴于此,采用滚刀岩机作用综合试验台对砂岩、花岗岩复合(复合比例为4(25) 6)而成的岩层进行5组刀间距下3种贯入度的3把滚刀同步旋转切割试验;试验过程中监测破岩总法向力、总扭矩,并分别收集两种岩石的岩渣进行筛分、称重;依据试验结果分析不同刀间距、贯入度下的法向力、扭矩及比能的关系。研究表明:不同刀间距时,平均法向力、平均扭矩随贯入度的增加而增大但两者的增加趋势不同,即平均法向力随着贯入度的增加几乎呈直线增大,而平均扭矩随着贯入度的增加其递增趋势减小;不同贯入度下存在不同的最优刀间距;砂岩、花岗岩切割轨迹长度比例为4:6时刀间距与贯入度的比值在14左右,破岩效率最高。     

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。     

基于弹性能演化全过程的岩石脆性评价方法

脆性对岩石破裂模式及损伤演化过程具有重要影响。本文对采自某铁路隧道群的6种不同岩性的脆性岩石开展单轴压缩试验,在分析其应力-应变过程、破坏模式和能量演化特征的基础上,综合考量峰前弹性能积聚率、峰后能量耗散程度及耗散速率,建立一种基于岩石应力-应变曲线全过程的脆性指数计算方法,进一步基于能量耗散表征损伤变量,分析了脆性岩石损伤演化过程,并探讨了从损伤演化角度建立脆性评价指标的可行性和合理性。结果表明: (1)试验所采用的6种不同岩性岩石应力-应变曲线峰后段均表现出不同程度的脆性跌落现象。(2)基于本文建立的脆性指标对6种岩石进行脆性定量评价和比较,脆性程度由大到小依次为: 辉长岩、变质砂岩、石英片岩、粗粒花岗岩、板岩、大理岩。(3)单轴压缩条件下,基于能量耗散表征的脆性岩石损伤演化过程整体呈“S”型发展趋势,可分为初始损伤、损伤保持、损伤稳定发展、损伤加速发展以及损伤减缓至终止5个阶段,能够很好地反映岩石内部微裂纹压密闭合、萌生发育、扩展贯通直至宏观破坏的整个过程。     

岩质边坡复合型破坏机制的改进运动单元法研究

目前运动单元法的研究主要集中于土质边坡,未涉及到岩质边坡稳定性分析问题;而岩体中孕育有不同特性的结构面,控制着岩质边坡的力学行为。为求解结构面控制作用下岩质边坡“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏问题,研究了塑性滑移区节点在岩桥内和结构面上的运动约束条件,推导了含结构面的运动单元计算公式,提出了改进运动单元法。通过经典算例的对比分析,验证了改进运动单元法计算结果的准确性。研究结果表明：岩桥位置、结构面贯通度和结构面倾角是控制岩质边坡力学行为的3个主要影响因素。岩桥越接近坡顶,改进运动单元法所得安全系数越大,而Jennings法无法反映岩桥位置的影响效应。高贯通度的结构面导致岩质边坡发生“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏模式,安全系数较小;而低贯通度的结构面导致完整岩石发生破坏,安全系数较大。水平或陡倾角结构面导致滑裂面穿切结构面,安全系数较大;而对于其它倾角情况下的结构面,岩质边坡发生“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏模式,安全系数较小。实例应用结果说明该方法可以有效评价岩质边坡的稳定状态,可在类似工程中应用推广。