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。     

岩石断裂和损伤的研究现状

从岩石断裂和损伤力学角度以及细观角度对岩石的断裂和损伤理论的研究现状进行了综述分析,指出岩石强度理论的研究由经典强度理论向断裂强度理论、损伤强度理论发展。     

软质岩石桩桩端岩石变形破坏机理的研究

本文从传统理论计算方法得到的桩端岩基承载力与实际试桩得到的承载力存在的差异出发，提出符合桩端岩石实际工作情况的破坏机理理论，并通过试验加以证实。     

基于破坏准则的岩石压剪断裂判据研究

在分析压剪复合型裂纹尖端应力场的基础上，利用最小J2准则得到压剪裂纹的起裂角。把岩石压剪断裂问题与岩石的破坏准则联系在一起，利用岩土材料中广泛应用的Mohr-Coulumb准则和Drucker-Prager准则分别建立两个岩石压剪断裂判据。计算结果表明，基于强度准则建立的岩石压剪断裂判据比较合理；纯Ⅱ型裂纹的断裂韧度与纯Ⅰ型裂纹的断裂韧度的比值与泊松比和内摩擦角的取值有关系（纯Ⅱ型裂纹的起裂角是某个定值时），而与其他岩石力学参数没有关系。     

基于能量耗散的岩石损伤破坏数值模拟

从能量角度出发,研究岩石的逐步损伤以至于破坏的过程,并基于能量耗散原理建立岩石单元的损伤破坏模型,利用FLAC中的fish语言开发计算程序,模拟了岩石的巴西劈裂实验,得出了一些有价值的结论。     

岩石II型裂纹初裂及后继破坏机理研究

计算了多种四点剪切Ⅱ型裂纹试件的全场应力，并同时进行了实验研究。通过对这些试件的计算结果与实验结果的比较分析，较好地揭示了这些Ⅱ型裂纹试件初裂、后继破坏以及“剪切核”的形成机理，避免了目前仅用Ⅱ型裂纹奇异应力场给分析带来的误差及局限。     

石油工程中岩石裂纹扩展与破坏机理研究

石油工程中岩石特点是理藏深，受高温，高压的作用，它是一种非均质不连续体的脆性材料，其破坏过程是水力或机械作用下，岩石内部裂纹的产生，扩展，合并和贯通的过程，本文对工程作业中的岩石裂纹扩展与破坏机理进行了较详细的理论分析，并通过实验研究对岩石裂纹的产生，扩展和贯通的全过程进行了探讨，得出了射流水楔作用是岩石裂纹产生，扩展，贯通以及破坏的重要方式，为石油工程作业的设计与施工提供了理论依据。     

单轴压缩过程中岩石变形破坏机理

对白岗岩、花岗岩、大理岩试样的扫描电镜下进行单轴压缩试验，即时观察分析岩石在受力过程中，其微裂纹的萌生－扩展－断裂破坏全过程。得到各试样的应力－应变曲线与相对应的微观结构变化的照片实录，很直观地揭示了岩石变形破裂的实质，比较满意地解释岩石变形破坏的机理。     

岩石损伤统计强度理论研究

本文从岩石微元强度服从Weibull分布的角度出发,建立了模拟岩石破裂全过程的损伤本构模型。在此基础上,根据岩石屈服或破坏的概念,重点探讨了利用多元函数求极值的方法建立岩石强度理论的途径,初步建立了一种新的岩石强度理论即岩石损伤统计强度理论及其建立方法,与实测结果及其它岩石强度理论比较表明,具有明显的优越性。     

考虑渐进性破坏的岩石损伤本构模型研究

根据连续损伤理论和统计强度理论,从岩石材料内部包含大量随机分布的微裂隙等缺陷的特点出发,采用修正的Harris函数作为岩石损伤参量的数学模型,并结合Hoek-Brown准则建立能反映岩石破裂全过程的损伤本构模型。通过引入损伤系数J,较好地反映了岩石的渐进破坏特性,也在一定程度上表征了这种准脆性材料的非均匀性和各向异性。利用多元函数极值理论,并依据试验曲线的特征参量,确定出损伤本构模型参数,最后用试验数据对模型进行了验证。通过比较分析说明了该模型的合理性和可行性,在此基础上,探讨了相关参数对理论曲线与试验曲线吻合程度的影响,从而对实际工程具有一定的参考价值。     

基于高压水射流破岩的岩石损伤破坏效应研究

由于高压水射流破岩的影响因素繁多和作用机理的复杂,运用动态非线性有限元法,进行高压射流的数值试验,分析破岩过程中应力及破岩深度变化,以破岩过程中诸如射流速度、射流直径、射流入射角度、射流束数等控制参数为研究方向,基于ANSYA/LS-DYNA进行不同井深条件岩石破坏的显示动力有限元分析。结果表明,进行高压水射流破岩时选取不同射流控制参数所实现的射流效率明显不同,射流速度和射流直径的增大都会增加破岩的深度;射流垂直入射时,破岩效果最好;射流束数和破岩深度成反比。以本文研究结果指导实际现场操作,可以有效提高破岩效率。     

基于对数正态分布的岩石损伤本构模型研究

根据岩石微元物理力学性能服从随机分布的特点,采用对数正态分布作为岩石微元强度的概率分布模型,结合损伤力学理论和统计强度理论,建立了三轴压缩条件下的岩石损伤本构模型。在此基础上,考虑岩石破裂过程全应力应变曲线的特点,利用多元函数极值理论依据试验曲线的特征参量确定出损伤本构模型参数。与试验结果及前人研究结果比较,该模型形式简单,参数求取容易,能较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,表征岩石破裂过程的全应力应变关系。     

基于弹塑性损伤模型的岩石加卸载计算研究

基于经典弹塑性理论,引入损伤因子,综合考虑岩石在外力作用下的塑性变形与损伤演化,提出一种各向同性弹塑性损伤耦合模型。根据以上理论编制有限元计算程序,较好地描述了岩石在不同加卸载路径中的应力-应变特性。通过程序模拟计算,具体结论如下:在常规路径加载中,岩石的峰值强度与残余强度均随围压的增加而增加。在卸围压路径下,残余应力受初始围压影响较小,但侧向应变与体应变有着明显的增加。轴向荷载的提高使岩石损伤值增加,卸围压过程中最大损伤因子均大于同等初始围压下的常规路径试验。     

裂隙倾角及数目对岩体强度和破坏模式的影响

为研究不同裂隙倾角和数目下低强度岩体强度和变形破坏特征,对含不同预制裂隙的类岩石材料试件进行常规单轴压缩试验。结果表明:(1)低强度岩体峰值强度随裂隙数目增加而减小,随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角0°的三裂隙试件单轴压缩强度最低;(2)除90°裂隙试件外,随裂隙数量增加,试件弹性模量减小,而轴向峰值应变先增大后减小;(3)随裂隙倾角增大,试件弹性模量和轴向峰值应变总体呈“凹型”变化,最小值发生在30°裂隙试件,且大倾角裂隙试件(α>45°)的轴向峰值应变对裂隙倾角敏感程度大于小倾角裂隙试件(α<45°);(4)随裂隙数目增加,低强度岩体的破坏模式变化趋势:脆性破坏→塑性破坏→塑性流动变形破坏。     

基于连续损伤理论的巷道围岩弹脆性损伤分析

考虑岩石的脆性损伤特性,引入非线性的岩石脆性损伤本构模型,将损伤演化方程从一维推广到三维,建立岩石损伤变量与脆性参数的关系。将圆形巷道围岩划分为损伤残余区、渐进损伤区和弹性区,采用弹脆性连续损伤理论,对巷道围岩损伤范围及应力进行求解。当巷道周边围岩只出现渐进损伤区时,推导出巷道围岩发生不同程度损伤的极限地应力及损伤半径;当巷道出现损伤残余区时,考虑围岩破坏后仍然具有残余承载能力的特点,推导出巷道围岩损伤区半径及围岩应力的表达式。通过算例分析了岩石损伤程度和脆性强弱对巷道围岩损伤半径及围岩应力场分布的影响,研究结果表明:岩石的脆性对损伤半径的影响跟损伤程度有关,岩石脆性越强,围岩切向应力的峰值越大;岩石损伤程度越大、损伤半径越大,切向应力峰值离巷道壁面越远。     

非均匀岩石裂纹扩展机制的数值分析

应用东北大学开发的RFPA2D软件,通过数值手段对预制裂纹的非均匀岩石单轴加载条件下的裂纹扩展模式进行了研究,结果表明:非均质度越差,材料的破坏峰值强度越低;裂纹扩展模式受岩石均质度制约,当岩石的均质度较低时,裂纹扩展表面粗糙,且呈现断断续续方式扩展,并且在扩展中出现跳跃方式,与均质岩体有本质区别;均质岩体AE分布集中于裂纹尖端,而非均质岩体裂纹呈弥散分布,并最终逐渐集中而形成裂纹.     

岩爆发生的规律和断裂力学机理分析

本文由静力平衡、强度破坏和断裂破坏三者既联系、又区别，并共同作用于岩爆工作面的观点出发，通过对发生岩爆的掘进面上两种计算模型的断裂力学研究，确定出判明发生岩爆的力学机理和临界条件，从而对岩爆发生的总体规律作出了定量解释。     

受压岩石断裂准则研究

首先建立双向压缩条件下形成单一闭合裂纹的力学模型,考虑摩擦力的影响,计算出裂纹面的正应力和剪应力。分别运用有效剪应力准则和最大周向应力准则计算裂纹的初始断裂角。运用有效剪应力准则得出的初始断裂角只与岩石的抗拉强度和抗压强度之比有关。运用最大周向应力准则得出的初始断裂角受裂纹和荷载方向的夹角、裂纹面之间的摩擦系数、侧压力系数的影响。将两种理论分析的结果与实验结果进行对比分析得出:考虑摩擦力的最大周向应力准则更接近裂纹扩展的实际情况,建议工程中更多的采用该准则,而有效剪应力准则与实验结果不相符,有待完善。岩石闭合裂纹的扩展及断裂是一个复杂的过程,有待深入分析研究。     

隧洞围岩损伤演化与时效破坏过程的模拟分析

依据对岩石长期强度的认识,基于环境因素影响下岩石强度、弹模等物理力学性质随时间劣化及其内部细观损伤积累等观点,应用RFPA数值模拟方法,模拟了隧洞围岩的时效破坏过程,并与相应的物理模型试验结果进行了对比。隧洞数值模拟试验得到了拱顶、拱底以及两侧帮的时效变形特征曲线,与实际物模试验结果表现出了较好的一致性,并且发现隧洞围岩宏观破坏是细观损伤实时演化及逐步积累的最终表现。进一步模拟分析了侧压系数对隧洞时效变形破坏特性的影响,模拟结果显示,随着侧压系数的增大,隧洞左右边墙间的闭合位移逐渐增大,而隧洞拱顶拱底间的收敛位移随侧压系数的增大逐渐减小,并对隧洞围岩的局部的细观损伤演化过程及宏观时效破坏模式做出了清晰的解释。