高地应力条件下爆破开挖诱发围岩损伤的特性研究

高地应力条件下隧道或硐室钻爆开挖需考虑初始地应力动态卸荷效应,同时其最终损伤形态会受多个因素影响。采用三维有限差分软件FLAC3D讨论了爆破荷载与地应力动态卸荷复合作用下隧道围岩损伤分布,并重点研究了侧压力系数、岩体力学性质、卸荷速率对围岩损伤范围的影响,最后通过赣龙铁路梅花山隧道开挖损伤区检测结果进行了验证。研究表明,考虑动态卸荷效应的围岩损伤范围明显大于只考虑爆破荷载作用下的围岩损伤范围,在中高地应力条件下,初始地应力动态卸荷对围岩的损伤破坏作用不可忽视;随着侧压力系数逐渐增大,损伤区形态呈现明显的方向性,当侧压力系数为1时,损伤区沿开挖轮廓面分布较为均匀,侧压力系数不为1时,损伤区主要向小主应力方向集中;岩石力学性质越好,损伤范围越小;卸荷速率越快,围岩损伤范围越大,但影响并不十分显著。结果可为高地应力下隧道开挖稳定性分析和支护设计提供一定参考。     

岩体结构对岩石爆破效果的影响

分析了爆破冲击波的传播特点，指出了对岩石破坏最大的是拉伸应力波，并对岩体结构对岩石爆破效果的影响进行了探讨。     

损伤性岩体预裂爆破参数的优化设计

运用损伤理论得出了损伤性岩体预裂爆破控制参数－不耦合系数，线装药密度及炮孔间距随损伤因子D变化的规律，并用以优化损伤性岩体的预裂爆破设计参数，为预裂爆破优化设计提供了理论基础。     

预裂爆破作用下岩石裂纹动态应力强度因子分析

通过有限元分析软件ANSYS数值模拟手段,分析了爆破荷载作用下,裂纹长度与类型、不同的装药量对裂纹尖端动态应力强度因子的影响以及预裂与光面爆破动态应力强度因子比较分析,计算得出：预裂爆破预裂缝的产生主要是从炮孔处产生的开口裂纹在冲击波以及爆生气体的作用下扩展形成的;随着药径与孔径比的增大,动态应力强度因子也逐渐增大,动态应力强度因子曲线形态不变;由于自由面的存在,光面爆破裂纹应力强度动态因子后续峰值较预裂爆破的大。     

参数型岩石几何损伤模型的构建及其应用研究

岩石几何损伤模型是建立统计损伤本构模型的重要基础。在岩石变形力学特性基础上对现有岩石几何损伤模型进行了回顾性分析,针对它们难以较好地反映初始损伤特征和峰后变形破坏特征的缺陷与不足,首先,将岩石材料视为由未损伤部分、初始损伤部分和后继损伤部分组成,提出了考虑初始损伤的岩石几何损伤模型;然后,通过探讨Weibull分布参数m和F₀对损伤变量变化产生的影响,构建了参数型岩石几何损伤模型,在此基础上建立了应变软化类岩石统计损伤本构模型并进行了修正,给出了模型参数的确定方法;最后,通过模型验证和参数分析表明,修正后模型能够较好地模拟岩石变形破裂全过程,参数λ和η对损伤变量变化产生的影响与m和F₀等效,解决了现有岩石几何损伤模型存在的共性问题,该模型和方法具有一定的合理性和可行性。     

岩石爆破模型研究综述

系统综述了岩石爆破模型的国内外研究现状,阐明了其基本思想。对岩石爆破模型作了简要评述,就岩石爆破模型的发展趋势提出了初步看法。     

基于断裂及高温损伤的岩石蠕变模型研究

为了反映热-力耦合作用下岩石蠕变变形的全过程,依据断裂力学原理提出了岩石裂纹扩展的临界损伤应力和一个新的可描述岩石在稳态蠕变阶段与临界损伤应力相关的非线性黏性分量,在传统西原模型和Burgers模型的基础上,将指数形式的损伤变量、临界损伤应力以及与其有关的非线性黏性分量引入到流变微分方程,通过叠加原理推导了考虑温度效应的单轴和三轴压缩条件下岩石的流变本构关系,建立了岩石的热-力耦合损伤蠕变本构模型。利用不同温度、不同应力条件下花岗岩的三轴蠕变试验曲线和本文蠕变模型的计算曲线进行比较,结果表明本文蠕变模型能够较好地模拟岩石在初始瞬态、稳态和加速蠕变阶段全过程的变形规律,验证了所建模型的有效性和合理性。该模型为分析高温、高应力环境下岩石工程的长期变形和稳定情况提供了理论依据。     

损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数研究

岩体条件复杂多变,为了提高光面爆破的适应性、改善光面爆破效果,对损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数进行研究。通过对深部岩体巷道光爆层原岩应力场、光面爆破机制和振动损伤特征进行分析,基于爆炸应力波和爆生气体综合作用理论,考虑高原岩应力和岩石损伤影响,提出了损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数确定的计算方法。研究表明, （1）高原岩应力相当于提高了岩石的抗拉强度,不利于炮孔初始裂纹的形成及贯通,宜减小周边眼间距;（2）岩石损伤后,其他条件不变,光面爆破的炮孔间距和抵抗线值可适当加大;（3）高原岩应力和损伤条件下,光面爆破的炮孔间距较小时,容易造成爆后围岩损伤,降低围岩的稳定性能,因此,提高爆破效果的同时应及时加强支护,以确保施工安全和围岩稳定;（4）本文提出的光面爆破参数计算公式,经现场爆破验证效果良好,适用于复杂多变的岩体环境。     

岩石的率内时本构方程研究

本文根据岩石钻凿的冲击动力特性，提出了一种将牛顿时间引入到内时理论中去，建立了考虑应变率效率的率相关内时本构方程，所得结果与花岗岩动力试验基本吻合。     

基于岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式

爆破开挖作业引起的扰动与损伤,特别是频繁爆破产生的累积损伤效应,必然导致岩体完整性降低,岩体力学参数弱化,从而威胁岩体工程稳定性。考虑岩体爆破损伤及其累积效应,指出了Hoek-Brown(赫克-布朗)准则及其改进公式的不足,引入完整性系数K v和损伤因子D,建立了可以表征岩体爆破累积损伤效应、岩体爆破扰动状态及其力学参数弱化程度的mb和s的取值方法。基于声速变化与爆破累积损伤效应之间的联系,建立了以岩体声速降低率η为基准量的岩体爆破累积损伤扩展模型,并将该模型成功应用于提出的Hoek-Brown准则修正公式中。根据现场模拟爆破试验与声波测试数据,对提出的修正公式进行了分析,结果表明,建立的考虑岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式是合理的。     

岩石时效损伤模型及其在工程爆破中应用

为了实现爆破智能化,降低爆破带来的负面影响,通过数值模拟预估出岩体中爆破诱发损伤的大小以及分布范围在工程上具有重要意义,其中科学合理的爆破损伤模型是关键。基于岩石介质是连续的、各向同性的、且存在初始裂纹的假设,把考虑时效的岩石拉裂损伤演化方程和双线形弹塑性本构结合起来,通过用户自定义简明地嵌入到大型LS-DYNA软件中,并引入了该软件中的侵蚀算法,对半无限岩体中临空面附近爆破漏斗问题进行了重点数值模拟,计算结果比较接近实际。本文方法在工程中将具有一定的参考价值。     

岩石爆破的相对损伤与损伤累积计算

为了便于工程应用,利用损伤变量定义,确定既真实反映力学作用过程,又易于获取和进行客观度量损伤变量的一种方法。通过提出的相对损伤概念,用相对损伤变量表示含损伤材料在载荷作用下损伤扩展程度和不同部位的相对损伤程度,使衡量受力作用程度的损伤变量确定更易实现。同时,提出了一种基于裂纹扩展的损伤累积计算方法,并用实例计算说明了其合理可行。     

基于TCK损伤本构的岩石爆破效应数值模拟

脆性岩石在爆破载荷下的动态破碎行为是工程技术人员所关心的,采用数值法预估岩体破裂范围和损伤大小对施工安全具有重大意义,其中合理的岩石损伤模型是关键。假设岩体破坏近似服从Mises屈服准则,且考虑到岩体的应变硬化特性,把Taylor-Chen-Kuszmaul（TCK）模型中的拉裂损伤演化方程和材料双线性、弹塑性本构耦合到一起,并简洁地嵌入到有限元分析软件LS-DYNA中,通过半无限岩体中柱形药包爆破实例验证了其合理性与准确性。对球形药包爆破问题也进行了数值分析。该损伤模型及其数值模拟在工程中具有一定的参考价值。     

小净距隧道爆破开挖中夹岩累积损伤计算方法及其应用

为了获得小净距隧道中夹岩爆破累积损伤规律,建立了爆破荷载作用下中夹岩累积损伤新计算方法,并应用该方法对大坪山隧道中夹岩爆破施工过程中的累积损伤进行预测,同时进行了现场测试验证。结果表明,新计算方法不仅能反映爆破力学作用过程,而且计算参数也易于获取;预测结果与实测平均误差在12%左右,可以用来预测岩石的累积损伤;大坪山隧道中夹岩累积损伤规律为二次爆破后6个测孔波速平均降低率为4.3%;各测孔最大累积损伤增量为6.1%。其结果可为小净距隧道中夹岩稳定性研究提供依据     

隧道围岩爆破损伤防护的霍普金森压杆试验

为减小爆破对隧道围岩的损伤,在传统光面爆破装药结构基础上,设计一种在炮孔一侧安放PVC-U材料来保护隧道围岩的装药结构,并分析了该方法的作用机制。为分析和验证PVC-U管对隧道围岩损伤的防护效果,利用Φ100 mm的霍普金森试验装置进行隧道围岩损伤防护试验,从试件宏观破坏、应力波衰减和能量变化3方面进行了分析。结果表明：防护材料改变了岩石的受力状态,当防护材料厚度从0增加到6.24 mm时,无防护材料的试件的破坏程度比有防护材料的试件严重,且随着防护材料厚度的增加破坏程度不断减小;试件的应力峰值呈不断降低趋势;应力峰值的降低率不断增加;耗散能与入射能比值从61.08%下降到39.97%。可见,防护材料对岩石冲击损伤具有一定防护作用。该方法在某巷道掘进中得到应用,并取得了良好效果。     

岩石爆破损伤模型的比选与改进

归纳了目前应用较为广泛的爆破损伤模型关于损伤变量的定义方法,基于FORTRAN与LS-DYNA自定义接口,将5种典型的爆破损伤模型成功导入LS-DYNA。根据具体的工程实例,对5种爆破损伤模型计算的精确性进行了对比计算和验证。结果表明,KUS模型与RFPA模型对应的结果与实测值更接近。选取计算结果较为准确的KUS模型进行改进,考虑压缩损伤,并修正了宏观弹性常数的确定方法,建立了拉压损伤模型,并对该模型的计算精确性进行验证,结果表明,该拉压损伤模型可以更好地定量描述岩体爆破损伤范围。     

基于正态分布的岩石损伤统计本构模型及其参数确定方法研究

根据岩石微元强度服从正态分布的特点,引进能合理描述岩石微元强度的参量,基于岩石三轴应力应变试验曲线建立了反映岩石破裂全过程的统计损伤本构模型.在此基础上,重点探讨了正态分布参数对岩石损伤本构模型的影响,据此对岩石统计损伤模型进行了合理修正,从而建立了反映岩石破裂全过程的三维统计损伤本构模型,与试验结果及现有研究结果进行比较显示了该模型的合理性,具有广泛的应用前景.