单临空面岩体中爆破诱发损伤的数值分析

岩石的抗压强度远大于其抗拉强度,所以在单临空面岩体爆破中,工程技术人员关注的不仅是炮孔附近的塑性压剪损伤,更多的是临空面附近的拉裂损伤,临空面若是地表,可能会影响到施工的安全,甚至造成一定的经济损失。以往这类损伤问题的数值模拟中大多只偏向于一方面：或忽略压剪损伤,或不考虑拉裂损伤,故所得出的结论难以满足工程需要。基于合理的应力修正方式,把现有的岩石拉-压损伤本构以简明的方式嵌入到大型LS-DYNA软件中,对单临空面岩体中的柱形和球形药包爆破问题进行了数值模拟,计算结果表明该法能较好地预测岩体中爆破诱发的拉裂、压缩损伤的分布规律和演化趋势。     

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。     

隧洞开挖重复爆炸荷载作用下围岩累积损伤特性

隧洞毫秒爆破开挖推进过程中,预留岩体在重复爆炸荷载作用下产生不可逆的损伤叠加。而现有的岩体爆破损伤数值模拟基本都是针对单孔装药和单段爆破,很少涉及实际工程中的重复爆炸。基于LS-DYNA程序的用户自定义材料接口,将统计损伤演化模型嵌入到弹塑性本构材料中,模拟圆形隧洞全断面毫秒爆破过程中重复爆炸荷载作用下的岩体累积损伤效应,并考虑地应力对岩体爆破损伤的影响。计算结果表明,围岩损伤范围和损伤程度随重复爆炸荷载次数而增加,在一个爆破进尺内,围岩损伤的临界峰值质点振动速度较单段爆破降低了12%;爆炸荷载作用下,围岩主要表现为拉损伤,围岩地应力对爆破张拉效应起到非常敏感的"抑制"作用,在2¹0 MPa应力水平时,围岩爆破累积损伤范围随着应力增加而明显减小,围岩损伤的临界峰值质点振动速度增加24%10 MPa应力水平时,围岩爆破累积损伤范围随着应力增加而明显减小,围岩损伤的临界峰值质点振动速度增加24%⁵7%。     

基于能量损失的抗滑桩损伤模型及其应用

抗滑桩承受荷载的过程伴随着桩身结构的损伤累积,为了获得抗滑桩损伤演化情况,基于Najar损伤理论推导了随应变变化的损伤因子表达式,建立了抗滑桩受拉、压荷载作用下的混凝土损伤模型。将该损伤模型嵌入至Abaqus/CAE模拟程序自带的混凝土塑性损伤模型中,分析了二郎山1#滑坡抗滑桩损伤情况,得出如下结论,采用文中构建的拉、压损伤模型模拟得出的桩顶水平位移为30.3cm,与现场观测的桩后裂缝宽度数据相吻合,得出滑坡推力增大是导致二郎山1#滑坡抗滑桩产生大变形的直接原因;抗滑桩在产生大位移过程中受压损伤值较小,桩身未发生压破坏;抗滑桩在产生大位移过程中靠近滑坡一侧滑面位置的拉损伤较为严重,并产生了拉破坏,损伤区域达到截面面积的3/4,是抗滑桩工程修复亟需关注的位置。      

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     

隧道爆破开挖围岩动力损伤效应数值模拟

采用数值模拟技术预估岩体开裂深度及爆破损伤影响范围对工程设计可以起到事先指导作用,对施工安全具有重大意义,其中科学的、合理的损伤模型及迭代计算方法是关键。基于FLAC3D程序的用户自定义本构模块,将考虑累积应变和荷载作用时间的Yang-Liu率相关动力损伤模型与Mohr-Coulomb弹塑性本构进行耦合,将围岩破坏过程中的损伤特性反映在荷载增量迭代计算中,形成了弹塑性动力损伤本构模型,详细推导了损伤应力修正迭代计算方法。对一圆形隧道爆破开挖进行模拟,探讨了爆破诱发的质点振动衰减特征及围岩损伤分布规律。分析结果表明,爆破产生的质点振动速度峰值与其所造成的损伤具有很好的相关性。该爆破损伤模型及模拟方法可以为类似工程提供一定参考     

基于岩石爆破损伤理论的预裂爆破参数研究及应用

工程中预裂爆破参数确定方法通常为经验类比法。该方法以经验公式为基础,存在理论依据较为缺乏等缺点。为此,引入岩石爆破损伤、应力波和爆生气体共同作用等理论,在考虑岩石初始损伤等影响因素的基础上,提出预裂爆破参数计算式。基于提出的理论方法,在现场开展了预裂爆破试验。针对爆破试验,比较了采用经验类公式和提出的理论计算式得到的线装药密度,并对爆破效果进行了分析。试验结果表明,预裂爆破效果良好。考虑爆破损伤效应的爆破参数确定方法比经验类比法合理。最后,在提出的理论计算方法基础上,给出了实际工程中确定预裂爆破参数的建议。     

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。     

岩石应变软化变形特性及损伤本构模型研究

对滇藏铁路三江段的花岗岩进行了单轴和常规三轴压缩试验,研究了岩石在不同围压条件下的变形特性及其损伤演化规律。试验结果表明:该岩石压缩变形过程中,内部裂隙的演化经历了无起裂、起裂并稳定扩展、加速扩展、扩展变缓以及扩展停止5个阶段,且围压对岩石变形特性有显著影响。在此基础上,提出了基于有损微元生成的损伤演化模型,建立了三轴压缩条件下岩石应变软化损伤本构模型。该模型能够统一描述岩石峰前及峰后全部变形特性及其损伤演化规律,且损伤方程形式简单、参数物理意义明确。理论结果和试验数据具有很好的一致性,且参数分析结果也表明了该模型的合理性。     

渤海地区岩样的试验研究以及新型岩石损伤本构模型的建立

针对渤海地区油气资源的开采困难以及现有岩石损伤本构模型的理论体系的不足等问题,该文对渤海岩石取样进行试验研究,根据试验所得参数建立了一种新型的岩石损伤本构模型。首先,利用岩石三轴测试仪对所取岩样进行变温度、变围压测试,获得岩样的全应力-应变曲线,并计算出岩样的泊松比、弹性模量以及最大应力差。其次,利用图解法作莫尔应力圆,确定岩样的黏结力和内摩擦角。最后,根据试验部分数据建立一种新型岩石损伤本构模型。该模型参数少,计算简便,将所建模型的计算结果与试验所得全应力-应变曲线进行验证,验证了所建岩石损伤本构模型的准确性。研究结论可为岩石损伤模型的完善以及现场石油资源的高效开采提供试验和理论支撑。     

基于声速变化的岩体爆破累积损伤效应

声速变化是表征损伤变量的有效参数。为揭示岩体爆破累积损伤效应及损伤演化规律,在某地下工程中开展了反复爆破作用下围岩损伤的声波测试,并对测试数据进行了回归分析。在此基础上,分析了多次爆破作用下岩体损伤与声速变化的对应关系,建立了以岩体声速降低率为基准量的岩体爆破累积损伤扩展模型。研究表明：（1）回归分析的相关系数大于0.981 6,说明岩体爆破损伤非线性累积回归预测模型是正确的;（2）岩体爆破累积损伤模型将岩体损伤总量定义为初始损伤和爆破损伤之和,综合考虑了爆破损伤累积效应和岩体初始损伤的影响,能够真实反映岩体损伤程度,是合理可行的。     

冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型

冻融交替对岩石宏观强度产生弱化。基于冻融循环条件下的压缩试验结果,利用损伤力学研究材料强度特征及损伤演化,建立岩土材料的损伤模型。结果表明:随着循环次数的增加,砂岩的力学强度参数均逐渐减小,抗压强度与弹性模量的降低幅度可以达到49.70%、83.40%,意味着冻融循环对材料力学性质损伤显著;定义岩石综合损伤变量,得到损伤演化特征曲线,基于高斯函数变化特征,构建冻融循环条件下材料损伤本构模型,对比分析试验与模型曲线,发现该模型能够较好地描述试验结果。基于高斯函数的损伤模型能较好地反映材料变形行为特征,研究成果可以为类似本构模型的建立提供参考。     

爆炸荷载下岩石损伤机理及其力学特性研究

基于所建立的反映岩石冲击压缩、拉伸损伤理论模型以及深孔微差爆破数值模拟结果,研究了爆炸载荷作用下岩石损伤演化和破碎规律,分析了岩石的动态力学特性;通过对水平边界条件下爆破破岩物理、力学过程的研究,探讨了深孔微差爆破的作用机制和爆破设计原则。     

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l和h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。     

考虑累积损伤效应的围岩变形特性研究

隧道爆破开挖诱发的动力扰动作用范围往往远大于其开挖进尺,同一部位围岩受到循环爆破开挖的多次扰动普遍存在累积损伤。对乌东德水电站左岸导流洞爆破开挖过程中的爆破振动和围岩变形监测进行了监测和数值分析,基于累积损伤理论,通过引入损伤判据及损伤变量,考虑计算中产生的不同程度的损伤区域的岩体参数劣化,并将劣化后的参数引入相应损伤单元进行后续开挖爆破数值模拟计算,从而对岩体爆破开挖累积损伤效应进行模拟。通过比较乌东德水电站导流洞的实测数据以及数值模拟计算结果发现,考虑累积损伤的计算结果无论是爆破振动速度还是围岩变形均更接近于实测值。对爆破开挖的分析模拟中应考虑围岩的多次循环爆破累积损伤效应。     

深埋隧洞爆破开挖荷载诱发围岩损伤特性

深埋隧洞爆破开挖荷载构成复杂,对围岩损伤区的孕育发展具有重要影响。利用颗粒流程序（PFC）软件,讨论了不同初始地应力状态下爆炸荷载及地应力瞬态卸载所分别诱发围岩损伤的特性,并通过锦屏2级水电站引水隧洞爆破开挖损伤区检测数据对数值模拟的结果进行了验证。研究表明,爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大;爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势,而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主,表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势;在相同的初始地应力状态下,爆炸荷载和地应力瞬态卸荷所分别诱发的围岩损伤区深度均明显小于实测值,考虑二者的耦合效应后,计算值与实测值基本吻合。这说明这两种荷载是高应力条件下爆破开挖荷载的主要成分,但二者耦合作用对围岩的损伤大于它们单独作用效应的线性叠加。     

含预制裂纹的水泥砂浆试块在爆炸载荷作用下损伤特征的数值模拟

把能够体现岩体在冲击载荷作用下的响应特点及损伤演化的各向异性特征的损伤模型嵌入到有限元软件中，模拟了含有预制裂纹的水泥砂浆试块在爆炸载荷作用下的损伤特征。模拟结果表明，在爆炸近区产生一个损伤“重灾区”，并可根据模拟结果确定“重灾区”及爆炸损伤的范围，模拟结果与试验结果基本一致。模拟方法可以为岩土工程中经历过爆炸损伤岩体的稳定性研究提供理论依据。     

煤体在高压水射流作用下的损伤机制

为研究高压水射流破煤的力学机制,煤体采用J-H-C含损伤本构模型,水射流采用Bridgman状态方程,用固-流耦合算法对高压水射流冲击煤体的损伤机制进行有限元数值计算,得出了煤体在不同冲击压力水射流作用下的损伤形式,模拟与现场试验结果基本一致。研究结果表明,不同水压的水射流冲击煤体形成的损伤机制存在差别,煤体在高压水射流作用下的损伤是阶梯式,煤体在高压水射流冲击下形成压缩波和拉伸波的复合作用是形成煤体损伤的主要原因,随着破煤过程的进行,压缩区和拉伸区有进一步减小的趋势;对于不同强度煤体存在临界破煤压力和最佳破煤压力。