核电站基岩爆破开挖损伤区研究

根据岭澳核电站二期工程基岩爆破现场进行的4组声波试验，并基于爆前爆后声波波速变化率确定的损伤门槛值得到了各次爆破岩体的损伤范围。研究结果表明，周围岩体在爆孔的装药区段深度范围内，损伤程度最大，而近地面和爆孔底部以下的岩体损伤则较小：距爆区越近，岩体损伤变量越大，爆孔底部以下的损伤深度也越大；爆破作用下岩体的损伤深度要小于水平方向的损伤范围，其比例大约为1：3；岩体的损伤范围随单孔药量增大的趋势咀显。     

基于核磁共振技术的岩体爆破损伤试验研究

 评价岩体爆破损伤程度及其范围对工程爆破参数设计和岩体结构支护具有重要指导意义。在综合分析当前岩体爆破损伤研究方法的基础上,引进核磁共振检测技术,从研究爆破作用导致岩石损伤的本质着手,以岩石孔隙度、横向弛豫时间T2谱等参数为判据,以及核磁共振成像技术这一直观方式定量确定岩体爆破损伤范围。同时,结合超声波测试和岩石力学强度测定等技术手段对核磁共振结果进行比较和论证,并研究核磁共振特征与岩体强度之间的相关性,得出核磁共振孔隙度与单轴抗压强度之间的呈指数分布,并建立单轴抗压强度的预测模型。研究结果表明,核磁共振技术具有较高的实用性和准确性,为研究爆破岩体损伤开辟一种新的技术手段。     

广东岭澳核电站爆破开挖岩体损伤特征研究

为控制爆炸荷载作用下岩体的损伤范围,在岭澳核电站二期工程现场进行了爆前、爆后岩体声波测试,得到岩体的损伤范围。以此为基础,根据爆炸荷载作用下岩体损伤发展规律,基于概率形式定义损伤变量,利用有限元程序LS-DYNA和有限差分程序FLAC3D相结合的方法,对现场基岩爆破产生的岩体损伤范围进行数值模拟,并与现场岩体声波实验结果进行比较,确定爆炸荷载作用下岩体损伤门槛值Dcri=0.2,由此得到了岩体损伤范围随装药量的变化规律。结论认为,在柱状装药情况下,岩体损伤范围随装药量的增大而增大;爆炸荷载作用下的岩体损伤区深度小于损伤区半径,二者比例约为1∶3。     

某水电站地下厂房岩锚梁开挖爆破研究

为获得良好的岩台开挖效果,利用相关工程经验并结合现场实际,在岩石完整与破碎部位采用不同的钻爆参数进行垂直孔与仰孔相结合的岩台光爆试验,分析和比较不同开挖方案的爆破效果,综合考虑爆破震动安全监测和围岩松动圈测试的成果,确定了一组开挖岩台的最优施工程序和钻爆参数.     

不同开挖方式下岩石高边坡损伤演化过程比较

 不同岩石高边坡开挖方式对保留岩体的损伤范围有重要影响。基于LS-DYNA二次开发的累积损伤仿真技术,对光面爆破和预裂爆破2种不同爆破方式下的开挖损伤全过程进行数值仿真。计算结果表明,光面爆破开挖方式下爆破损伤具有明显的累积特征,其中,主爆孔产生的累积损伤最严重,光面爆破次之,缓冲爆破最小。预裂开挖方案中,保留岩体几乎仅受到预裂孔的损伤作用,但预裂孔本身的损伤大于光爆孔。对比2种开挖方式下最终保留岩体的损伤分布特征：光面爆破开挖方式下,保留岩体中沿轮廓面分布较小范围的高程度损伤区以及中下部分布较大范围中等程度损伤区;预裂开挖方式下,保留岩体仅存在范围相对较大的沿轮廓面分布的高程度损伤区。     

岩石高边坡开挖爆破动力损伤的数值仿真

 实现高边坡爆破开挖损伤区的数值仿真对研究保留岩体的损伤控制有重要意义。基于采用经典爆破损伤模型表达拉伸损伤的方法,引入对压缩损伤的考虑,同时,修正岩体宏观弹性参数的确定方法,建立自定义拉压损伤定量计算模型,详细推导其建立的数学过程,并采用LS-DYNA用户自定义接口将其成功导入LS-DYNA。采用该模型对溪洛渡高边坡640 m高程马道下边坡保留岩体的爆破开挖损伤效应进行数值仿真,通过岩体声波测试得到的实测损伤区,验证模型的有效性。选取目前应用较为广泛的爆破损伤模型进行对比计算,计算结果表明：拉压损伤模型的计算值与损伤区实测结果有较好的一致性,且与常用的爆破损伤模型相比,拉压损伤模型的精确性略有提高。     

深埋隧洞爆破开挖损伤区检测及特性研究

 通过对锦屏二级辅助洞爆破开挖损伤区的检测和数值计算,比较岩体开挖动态过程(包括爆炸荷载和地应力高速释放)及静态过程(地应力重分布)所分别造成的损伤,探明地应力瞬态释放诱发岩体损伤的机制。检测结果表明,地应力的存在对深埋隧洞爆破开挖损伤区具有较大影响。隧洞轴线垂直于最大主应力时的钻爆开挖损伤明显要大于轴线平行于最大主应力时的情况;可以将开挖损伤区分为内损伤区和外损伤区,其中前者主要由爆炸荷载和地应力高速释放二者耦合作用引起,其主要特征是岩体声波速度显著降低;后者主要由应力重分布引起,特征是岩体声波速度缓慢降低。另外,辅助洞实测的岩体内损伤区深度显著大于外损伤区深度,且内损伤区在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一,声波检测检测和数值模拟计算均也证明了这一点。     

考虑光面爆破周边损伤的参数设计研究

在现有的岩石爆破损伤模型和岩石细观损伤力学的基础上,初步尝试结合岩石强度有侧重点地探讨岩石在爆炸应力波和爆生气体作用下损伤断裂的基本理论,分别以理论手段确定D值,同时引入D值推导出考虑损伤的光爆参数设计理论公式。     

岩石爆破损伤断裂的细观机理及其力学特性研究

 博士学位论文摘要　通过理论分析与建模、实验室与现场试验、数值模拟计算三个方面, 深入探讨了岩石在爆炸荷载作用下的细观断裂机理及损伤演化规律, 对爆破损伤岩石的力学特性进行了实验研究和分析。在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上, 提出了用宏观和细观相结合, 用细观损伤断裂力学方法描述和计算了岩石爆破破碎过程, 并将爆破过程分为应力波的动力作用和爆生气体的驱动及准静态应力场作用两个相互连贯, 而作用机理又不尽相同的两个阶段: 第一阶段为爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 第二阶段为爆生气体的流体驱动和静态压力场作用下的损伤断裂后期效应, 并分别研究了该两阶段岩石在爆炸载荷作用下的微裂纹扩展和损伤演化规律以及岩石爆破损伤断裂准则。在应用计算损伤材料有效模量的Taylo r方法基础上, 建立了一个适应范围更广的新的岩石爆破损伤模型; 然后应用细观损伤力学和断裂力学理论, 建立了岩石在爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展及在静态压力场作用下的裂纹尖端损伤局部化模型, 从而确定了岩石在爆炸载荷作用下的损伤场, 揭示了岩石爆破损伤断裂的全过程实质。运用超动态应变测试、超声波及电镜对岩石爆破损伤断裂机理和破坏过程进行了实验研究, 模拟了炮孔填塞和无填塞、耦合装药和不耦合装药、不同参数下的爆破过程, 分析了不同爆破条件下岩石内部的微裂纹扩展、损伤演化和岩石破碎规律。结果表明: 爆炸应力波对岩石的破坏作用主要体现在爆破近区, 而在爆破中远区主要产生损伤, 如果没有爆生气体的后期作用, 这种损伤一般不会造成破坏; 而爆生气体是裂纹扩展的主要原因, 特别是在主裂纹的形成和扩展过程中起了十分重要的作用。实验结果验证了所建模型的正确性和合理性。在现场及实验室实验的基础上, 分析研究了爆破对围岩的损伤作用, 建立了岩石弹脆性细观损伤模型; 并认为爆破对围岩的损伤作用体现在对岩石力学性能劣化和岩体完整性降低两方面, 其损伤程度与装药条件、爆破参数及远场应力有密切关系, 加大不耦合装药系数可以明显减弱对围岩的损伤作用;首次提出了爆破损伤岩石基本质量指标的概念, 推导了爆破对岩体基本质量指标BQ 公式的影响系数表达式, 定量地分析了爆破对围岩质量影响与损伤程度, 这对合理选取爆破参数和对围岩、边坡稳定有实用指导价值。以DYNA 22D 程序为基本框架, 采用小损伤条件下的解耦方法, 实现了对岩石爆破过程的数值模型, 计算模拟并对比了填塞和无填塞装药条件下的岩石爆破过程和损伤演化, 数值模拟与实验结果基本一致。     

岩石动态损伤特性实验及爆破模型

 探索岩石动态损伤参量及其演化表征方式以构造岩石爆破损伤模型。通过岩石冲击损伤实验,对冲击前后试件进行超声波测试, 得出岩石动态损伤与超声波衰减规律的关系。在考虑岩石冲击损伤过程的声波衰减规律及其与能量耗散率关系的基础上, 建立新的岩石爆破损伤模型。通过实验验证该模型的计算结果并实现了岩石台阶爆破数值计算。     

考虑岩体完整程度的岩石爆破损伤模型及应用

现有爆破损伤本构模型未能考虑岩体完整程度对爆破作用效果的影响。为此,对Yang等提出的爆破损伤模型进行了改进,建立考虑初始损伤的弹塑性爆破损伤本构模型及提出用于评价围岩受爆破影响的损伤判据。该本构模型包含初始损伤变量和岩体完整性指数、声波波速等参数间的关系式,并利用岩体初始完整性指数的变化考虑其完整程度对爆破损伤作用的影响。把该模型引入到LS-DYNA数值软件中,并结合工程实例进行数值模拟,得到爆破损伤云图及相应的爆破影响范围。然后将计算得到的爆破影响范围与现场实测值、基于常用的TCK爆破损伤模型的数值计算结果进行了对比。最后,分析了爆破影响最大半径、最大深度与岩体初始完整性指数间的关系。研究表明,爆破影响最大半径、最大深度均随岩体初始完整性指数的减小而增大,且前者的变化更为显著。基于所提出模型的数值计算结果和现场实测值较为符合;提出的损伤模型可为考虑岩体完整程度对爆破开挖影响的理论研究和工程实践提供参考。     

台阶高度对露天矿爆破效果影响的三维有限元分析

采用三维有限单元法，研究了露天台阶爆破中不同台阶高度情况下岩体位移及炸药爆炸能量分布特点，讨论了台阶高度增大可能出现的生产爆破问题，结果表明，适当增加台阶高度，可以降低大块率，改善爆堆状况，提高露天矿山的劳动生产率，但可能出现根底。     

岩体爆破的损伤统计演化理论模型

将实际爆破工程中的岩石爆破作为岩体工程的范畴，讨论岩体爆破的一般特点，并从岩体初始结构弱面的统计特性和爆破后的块度分布特征出发定义一种新的岩体损伤变量。将损伤变量与裂隙的分形维数相联系，构造一种岩体爆破统计损伤的演化理论模型。这种损伤量的定义满足完整岩石的损伤值为0，爆破以后岩体的损伤值为1。通过对该模型的初步计算分析表明，此模型具有清晰简明的特点和一定的实际应用价值。     

基于爆破损伤的Hoek-Brown强度准则修正

传统隧道围岩分级方法未考虑爆破损伤因素对围岩分级的影响,爆破作为隧道主要开挖方法,其产生的岩体损伤对岩体分级评判标准的影响不可忽略。笔者分析了基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数取值方法,指出了Hoek-Brown强度准则和现有改进公式中确定岩体参数存在的不足。考虑爆破累积损伤效应,提出了不同围岩级别下Hoek-Brown经验常数m_b、s、a的计算方法,建立了考虑隧道埋深与爆破累积损伤效应的不同围岩级别的Hoek-Brown强度准则经验常数计算公式。以龙南隧道1号斜井爆破现场试验得到的声波变化率对修正公式进行了检验分析,验证了Hoek-Brown强度准则岩体经验常数修正公式的准确性。     

岩石声发射规律数值模拟初探

提出了岩石声发射规律数值模拟的基本设想和框架，并以有限单元法为例就具体实施的几个关键问题作了简述，包括单元的划分、单元参数的赋值、声发射率的计算。本文给出了一个计算实例，所得结果包括岩石声发射的时间序列和空间序列分布。     

岩体爆破损伤声波测试信号频谱特征的小波(包)分析

 岩体爆破损伤特性除了影响声波速度外,同时造成声波能量衰减和频谱特征的变化。为弥补单纯声波速度分析的不足,更好地利用岩体声波信号携带的丰富信息,在某地下工程围岩中开展10次小药量模拟爆破岩体损伤声波测试研究。针对傅立叶分析的缺陷,运用小波(包)变换方法,对声波测试信号的频谱特征进行分解分析。研究结果表明：(1) 经小波(包)变换得到的爆破前后岩体声波频谱特征变化规律非常明显;(2) 2–4,2–5和2–6尺度下小波分量的幅值和功率谱密度远大于其他尺度下的小波分量的幅值和功率谱密度,对岩体爆破损伤的敏感性较好;(3) 岩体爆破损伤作用导致声波测试信号的能量集中区和最大能量分布百分比对应的频段(频率)向低频方向偏移。研究成果对于揭示岩体爆破损伤与声波测试信号频谱特征之间的内在联系具有一定的指导意义。     

锦屏深埋大理岩破裂特征与损伤演化规律

 锦屏二级引水隧洞最大主应力超过70 MPa,在如此高应力条件下,必然存在岩体强度和地应力之间的尖锐矛盾。深入认识大理岩的破裂特征,把握围岩的损伤演化规律,对于支护优化设计和评价围岩稳定性具有重要意义。在已有关于脆性岩石破裂问题研究成果的基础上,借助于裂纹体积应变拐点和大理岩体积应变拐点配合声发射测试,确定不同围压条件下大理岩的特征强度,并将特征强度在主应力空间中进行表达,形成现场可用的强度包线。利用起裂强度曲线分析损伤区的应力状态,并根据计算成果确定不同损伤区分区的范围,描述监测断面随掌子面推进过程中损伤区的演化过程。为进一步分析损伤区的演化规律,在监测断面布置声波和声发射测试,声波检测获得的松弛圈深度主要与损伤区中的破坏区相对应,而声发射测试可以获得完整的损伤区分布特征,更有利于了解围岩的损伤特征,可为支护优化设计和支护时机的选择提供更加科学的依据。