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。     

爆破损伤岩石力学特性的试验研究

在不同的爆破条件下,在大理岩中进行了模拟爆破实验。在对爆破损伤岩石的力学特性进行实验研究的基础上,得到了在不同爆点距离和爆破条件下,爆破对岩石损伤作用的一些规律,并应用岩石弹脆性细观损伤模型,对爆破损伤岩石的细观裂纹扩展规律及其损伤特性进行了分析。     

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。     

白鹤滩大型地下厂房开挖围岩片帮破坏特征、规律及机制研究

 在建的金沙江白鹤滩水电站地下厂房开挖规模巨大,其复杂地质条件和高应力导致围岩破坏现象突出。针对左、右厂房第一层开挖过程中曾频繁遭遇到的围岩片帮破坏问题,结合地质、施工、测试、试验及数值分析资料,全面总结和深入分析玄武岩片帮机制。首先,归纳和总结地下厂房围岩片帮破坏的基本特征与规律,包括其表现形式、形态特征、空间位置、破坏规模、滞后规律、破坏发展特征、对应岩性及支护特征等主要信息;进而重点探讨厂区地应力、岩体结构、岩性、施工因素等对围岩片帮的影响规律;最后,综合分析揭示片帮的形成与发生机制。该研究可为白鹤滩水电站地下厂房后续开挖过程中围岩片帮破坏的预防和调控提供重要支撑,也可为同类高地应力条件下大型地下洞室类似围岩破坏的防控提供参考。     

大型地下厂房岩锚梁爆破安全控制标准研究

利用动力有限元数值模拟，研究爆破震动荷载作用下岩锚梁的动态响应特性，研究结果表明爆破震动作用下保证岩锚梁的安全关键在于防止岩锚梁与岩台黏结面被拉裂，应严格控制岩锚梁水平向质点峰值振动速度。结合龙滩水电站地下厂房开挖爆破震动对岩锚梁影响控制的工程实例分析，综合考虑岩锚梁的结构特点、混凝土的强度性能、强度随龄期的增长规律、岩锚梁与岩台黏结面的微观结构及强度等因素，探讨大型地下厂房岩锚梁龄期小于28d条件下进行下层岩体开挖的可行性及不同龄期的爆破安全质点振动速度控制标准。认为岩锚粱浇注后28d内，爆破安全振动速度可以按新浇混凝土的控制标准确定；龄期大于28d的岩锚梁，振动速度小超过7cm／s的控制标准有一定安全储备。     

深埋地下厂房开挖程序及轮廓爆破方式比选研究

 合理的开挖程序和轮廓爆破方式是深埋地下厂房施工中的关键技术之一。首先总结并综合分析我国已建和在建的主要大型水电工程地下厂房的岩体开挖程序与轮廓爆破方式。在考虑岩体初始应力场和邻近炮孔的联合影响基础上,基于爆炸气体驱动的轮廓爆破裂缝扩展过程分析,论证了高地应力区强约束条件下预裂爆破形成裂缝的可能性。研究表明,地应力是影响预裂爆破形成裂缝的主要因素,当垂直于厂房轴线的水平向岩体应力超过10～12 MPa时,一般不应采用先预裂、再扩挖的开挖程序,而宜选用先拉槽、再预裂或光面爆破的开挖程序。     

基于爆破损伤的岩台保护层开挖爆破参数研究

  摘要：在现有岩石爆破损伤理论的基础上,提出考虑初始损伤的爆破损伤计算模型,推导初始损伤变量和声波波速、弹性模量以及损伤门槛值等参数间的关系式。以溪洛渡水电站主厂房岩台保护层开挖为研究背景,结合岩石爆破损伤理论,分析保护层开挖的爆破损伤效应及其主要影响因素,并导出爆破参数计算公式。对主厂房内分布较广且初始损伤程度不同的2类岩体,分别给出相应的开挖爆破参数。通过现场爆破试验、爆破振动速度测试以及钻孔声波测试,验证爆破参数的合理性以及完善爆破参数设计。研究结果表明：爆破参数设计需要考虑岩体初始损伤的影响。考虑损伤效应后,岩台保护层开挖的炮孔密集系数小于普通光面爆破参数设计值;岩体初始损伤程度较大时,应增加光爆孔的装药不耦合系数和减小炮孔密集系数;岩台开挖爆破影响深度和爆破地震效应均满足安全控制要求,爆破参数设计合理。研究成果可为同类工程提供借鉴。     

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。     

高应力下硬岩卸荷破裂:白鹤滩水电站地下厂房玄武岩开裂观测实例分析

依托我国目前在建最大的白鹤滩水电站地下厂房面临的高应力诱发围岩破坏问题,通过现场围岩破坏统计调查和岩体钻孔摄像连续观测,全面揭示洞室开挖强卸荷下玄武岩内部破裂的演化全过程。厂房洞室现场围岩表层开裂破坏调查表明:玄武岩卸荷片帮破裂不仅可发生在完整岩体表面,还可发生在含一、二组非充分发育节理的岩体表面,失稳表现形式为片状与板状剥落。进一步的破裂岩片表面细观三维光学扫描和微观电镜扫描分析显示其表面较为粗糙(JRC一般大于8),晶体撕裂无擦痕,揭示了玄武岩片帮的张拉破坏机制。厂房洞室围岩的钻孔摄像连续观察揭示:玄武岩卸荷开裂具有空间非连续性、最大开裂深度逐步增长、裂隙宽度时效增大或减小、锚杆和锚索支护对开裂抑制作用明显等特征。且现场观测还发现,围岩表面的破坏与内部的时效开裂具有协调性,即围岩的开挖损伤区范围内岩体是逐步开裂,当围岩开裂随着时间发展到一定深度且裂缝随时间发展到一定宽度,围岩表层剥落、片帮等破坏行为随即出现。对白鹤滩玄武岩卸荷开裂的观测研究不仅直观揭示了一种高应力下硬岩卸荷破坏的表现形式,还表明监测岩体时效开裂发展过程对于深部硬岩的工程灾害预警和支护优化具有十分重要的意义。     

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。     

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。     

岩石爆破破坏界面上的应力时程研究

根据岩石爆破变形与破坏特征，利用空腔膨胀理论对爆破破坏区的破坏特性进行了研究，给出了破坏区范围大小及破坏区与未破坏区(弹性振动区)交界面上的应力变化时程曲线。借助经典的爆炸力学理论和回归拟合曲线方法，验证了爆炸空腔大小、应力波的应力峰值、应力波的作用时间。数值分析计算结果表明，理论计算的应力波时程特征与经典爆炸力学给出的时程特性基本一致。     

循环荷载下岩石损伤的CT细观试验研究

 利用CT机专用加载试验设备,进行实时的两级循环荷载作用下岩石疲劳损伤演化CT细观试验,得到岩石细观疲劳损伤扩展的初步规律。研究表明：一级循环荷载为强度的38%～76%时,随着循环次数的增加,上限应力处全区CT数标准差有增加的趋势,密度和CT数有减小的趋势,但变化很小,说明这一过程损伤的积累是缓慢的;二级循环荷载为强度的45%～90%时,虽然试验时循环次数少于一级循环荷载,但上限应力处全区CT数标准差、密度和CT数变化要大于一级循环荷载;在岩石破坏前的1个循环,CT数标准差、密度和CT数有较大变化。     

高应力强卸荷条件下大理岩损伤破裂的应变能转化过程机制研究

基于高应力条件下大理岩峰前卸围压试验和能量原理,研究岩样吸收应变能、塑性变形及裂纹扩展耗散应变能、环向变形消耗应变能和弹性应变能储存及释放的能量转化全过程特征,揭示其损伤破裂演化的应变能转化机制。峰前储存的弹性应变能较耗散应变能多,耗散应变能仅在临近峰值强度点附近才明显增加。峰后应力快速跌落伴随着弹性应变能的迅速释放和快速的塑性变形及裂隙扩展所耗散应变能。峰前、峰后应变能转化速率均随卸荷速率的增大而明显增大,特别是峰后转化速率增大得更为剧烈。而初始围压对应变能转化速率的影响与卸荷速率密切相关,快速卸荷时应变能转化速率随初始围压的升高而明显增大,而较慢速卸荷时随围压变化相对不明显,但初始围压增大明显加强峰前弹性应变能储存。峰后弹性应变能释放速率远大于环向变形消耗应变能速率,而吸收的应变能约与耗散应变能基本相等,故高应力强卸荷条件下硬性岩石常表现为近垂直于卸荷方向的张性破裂或劈裂特征,甚至出现岩爆现象。高应力强卸荷条件下大理岩具有峰前快速储存较多弹性应变能和相对较少的损伤耗能,而峰后弹性应变能快速大量释放和耗散,并伴有相对较快速地向卸荷方向的张裂变形消耗应变能的释放与耗散机制。     

爆破动荷载作用下围岩累积损伤效应声波测试研究

基于声波测试原理,利用RSM-SY5智能型声波仪,对厂坝铅锌矿某巷道围岩在爆破动荷载作用下产生的累积损伤效应进行了现场试验研究。研究表明:既有开挖爆破对巷道围岩的影响深度为0.8～1.2 m,根据钻孔的深度,在3.5～4.8 m深度的岩体内进行爆破累积损伤效应研究是可行的;随着爆破次数的不断增加,岩体声波速度逐渐降低,损伤度D呈现出非线性累积规律;随着与爆源距离的增大,岩体爆破损伤程度减小,累积损伤效应逐渐变得不明显;水平和垂直方向测试结果存在较大差异,说明爆破作用下岩体损伤具有各向异性的特征。爆破装药位置和药量对岩体损伤累积规律有一定的影响。装药区段范围内的岩体损伤程度最严重,装药量越大,岩体损伤程度也越大。测试成果为进一步的岩体力学参数研究和地下洞室稳定性分析提供了参考依据。     

圆形隧洞爆破荷载与瞬态卸荷作用围岩应变能效应研究

 深部岩体开挖过程中,能量的释放与耗散是导致围岩发生损伤破坏的重要诱因。针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用理论模型研究微差段间爆破荷载与地应力瞬态卸荷重复扰动及耦合作用下围岩应变能的变化规律,并基于弹性应变能判别准则计算围岩损伤范围。研究结果表明：在爆破荷载作用下,围岩应变能经历了先增大再减小最终趋于稳定的动态变化过程;在地应力的瞬态卸荷作用下,围岩应变能经历了先减小再增大最终趋于稳定的过程;二者耦合作用会进一步加剧围岩应变能动态调整过程,并且体现出更加明显的微差段间重复扰动效应,以开挖轮廓附近起爆的两圈崩落孔及周边孔最为明显。爆破荷载主要引起围岩张拉破坏,而地应力瞬态卸荷主要导致围岩压剪破坏,在二者耦合作用下地应力的存在会抑制爆破荷载引起的围岩张拉破坏,从而减小围岩的损伤范围。最后,采用锦屏二级水电站引水隧洞实测围岩损伤范围对理论计算方法的正确性进行了验证。     

大型地下厂房洞室群围岩稳定分析

 锦屏一级水电站最大坝高305 m,为混凝土双曲拱坝,电站装机容量360×104 kW,总库容77.6×108 m3,调节库容49.1×108 m3,是目前已建、在建和设计中的世界最高拱坝,其设计难度处于世界最高水平。针对地下厂区围岩类别较低、结构面发育、高地应力场以及洞室群规模巨大等情况,应用损伤力学理论,对地下洞室群的稳定性进行三维非线性弹塑性损伤有限元模拟计算,以判定地下厂房洞室群布置、施工开挖顺序、围岩支护参数的合理性,并对数值模拟结果与地质力学模型试验结果进行对比分析。结果表明,数值模拟和模型试验结果基本吻合,地下厂房洞室群围岩的整体稳定状态良好。     

白鹤滩水电站巨型地下洞室群关键岩石力学问题与工程对策研究

 白鹤滩水电站地下洞室群规模宏大、围岩地质条件复杂且地应力水平较高,在现阶段的开挖过程中,普遍揭露了脆性岩体的高应力破坏、软弱层间带导致的深层变形、柱状节理玄武岩的破裂松弛三类典型岩石力学问题。基于室内岩石力学试验,定义脆性玄武岩的启裂强度标准,并结合FLAC3D的Hoek-Brown模型对开挖过程中的洞室顶拱和墙角应力集中区进行分析,提出针对岩体高应力破裂风险区域的支护措施;针对层间带出露于洞室顶拱或高边墙引起的剪出口坍塌、顶拱深层变形、边墙错动变形问题,采用3DEC的Coulomb-slip模型与位移监测相结合开展反馈分析,确定加强支护措施及范围;针对柱状节理岩体的各向异性变形松弛特性,应用专门研发的Comba本构模型与声波检测相结合的研究方法,对柱状节理围岩各向异性松弛深度进行分析,为支护参数拟定提供依据。研究表明,巨型地下洞室围岩的稳定问题通常较为复杂,在施工期依据施工地质、数值模拟和监测成果相结合的反馈分析,不仅能够解释围岩变形破坏机制,而且能够为动态优化设计提供依据。     

岩石爆破损伤模型研究的几个问题

讨论了岩石爆破损伤模型研究的几个基本问题。主要内容包括冲击波与爆生气体在爆破过程中的作用、损伤参量的确定和损伤演化规律表述方法、损伤模型及其实用性以及开展进一步研究的设想。