爆炸荷载作用下岩石的变形与破坏研究(Ⅰ)

无论是矿山工程、隧道工程中钻孔爆破效率的提高、工程爆破领域爆破振动参数的预测,还是最近一系列高技术常规局部战争中钻地炸弹对地下坚固目标的破坏,在不考虑岩石中强爆炸引起的光子和电磁辐射等极端效应情况下,都亟待要求对岩石中爆炸引起的应力、变形及其它运动参数和破坏效应作出比较准确的评估。目前对此问题的研究尚只能达到大致的机理及景象的定性认识和描述,定量上的确定存在数量级的误差,尤其是爆炸和冲击的近区,误差更大。其原因在于岩石中爆炸产生的变形和破坏特征,不仅与作用时发生相应的物理及力学运动密切相关,而且强烈地受岩石自身构造缺陷水平及其变化的制约。本文概述了爆炸作用下岩石的动力变形与破坏研究之现状。研究中考虑了岩石的构造特点及其对基本力学性状的影响,并简述了其研究的新趋向。     

爆炸荷载作用下岩石的变形与破坏研究（I）

无论是矿山工程、隧道工程中钻孔爆破效率的提高、工程爆破领域爆破振动参数的预测，还是最近一系列高技术常规局部战争中粘地炸弹对地下坚固目标的破坏，在不考虑岩石中强爆炸引起的光子和电磁辐射等极端效应情况下，都亟待要求对岩石中爆炸引起的应力、变形及其它运动参数和破坏效应作出比较准确的评估。目前对此问题的研究尚只能达到大致的机理及景象的定性认识和描述，定量上的确定存在数量级的误差，尤其是爆炸和冲击的近区。误差更大。其原因在于岩石中爆炸产生的变形和破坏特征，不仅与作用时发生相应的物理及力学运动密切相关，而且强烈地受岩石自身构造缺陷水平及其变化的制约。本文概迷了爆炸作用下岩石的动力变形与破坏研究之现状。研究中考虑了岩石的构造特点及其对基本力学性状的影响，并简述了其研究的新趋向。     

岩体爆破破坏效应颗粒流数值模拟验证研究

采用颗粒流方法对岩体爆炸破岩过程进行数值模拟,将集中药包作用下的爆炸球面波等效为三角形波脉冲,根据颗粒离散元原理建立了点膨胀加载法和动边界处理法,结合动三轴试验标定的细观力学参数,建立了颗粒离散元爆炸应力波传播分析模型。利用数值模拟进行了爆破破岩机理分析,探讨了不同埋深、炸点膨胀比、炮孔压力对爆破效果的影响,给出了数值模拟时合适的炸点膨胀比与峰值压力取值范围,并根据爆破工程实践对爆破漏斗效应、微差爆破效应进行了验证。研究方法简单可靠,可反映岩体爆炸应力波传播规律,动态表征岩体的破坏过程,有助于进一步加深对工程爆破效应的认识。     

聚能药包在岩石控制爆破技术中的应用研究

聚能爆破技术是岩石控制爆破技术中有待开发的领域。根据爆炸力学、岩石断裂力学理论,从当前控制爆破面临的问题入手,对线性聚能药包(Linear shaped charge)在岩石定向断裂爆破中裂纹的产生、扩展以及主要爆破参数进行了分析研究,并利用自制线性聚能药包在巷道掘进中进行了试验。试验结果是聚能药包形成的巷道轮廓外爆震裂隙不明显,巷道断面平整,凹凸量不超过50mm,眼痕率高达96%以上,经济和社会效益明显。这些均表明聚能爆破是一种理想的定向断裂控制爆破技术。     

黑石岭隧道围岩岩爆灾害的研究

地应力环境与围岩力学属性是隧道工程中引发岩爆的两大决定性因素。为了研究黑石岭隧道开挖过程中围岩岩爆灾害的潜在威胁及其表现规律,通过对岩爆里程段的现场采样、运用Kaiser效应法测量原岩应力和室内岩石力学实验,探讨了工程区内白云岩的岩性特征及其破坏规律,并基于强度理论和冲击能指标分析了发生岩爆的可能性及其发生方式。分析得知,该工程区内岩爆的潜在威胁较大,尤其是测点1和测点2处发生强岩爆的可能性最大,须在工程开挖过程中加强防治。     

某高拱坝坝基辉绿岩脉改造特征及其工程影响

通过对我国西南某高拱坝坝基花岗岩体内穿插的辉绿岩脉的侵位和后期构造—热液作用以及浅表改造作用的研究,并对比各组不同走向辉绿岩脉的变形破坏特征,查明坝基辉绿岩脉在其活动后期热液蚀变的基础上,在同一构造应力作用下,各组辉绿岩脉具有不同的主要变形破坏方式,即脉壁张裂、剪切滑移和挤压破碎等,从而控制坝基岩体内与岩脉有关的各种软弱结构面、工程岩体结构及其力学性质,并简要讨论了各组岩脉对拱坝坝基抗滑稳定性和变形稳定性的影响。     

岩质边坡开挖卸荷岩体参数特征分析∗

岩质边坡的开挖卸荷过程直接决定工程施工的安全性,边坡变形特征分析及有效数值模拟方法的选取至关重要。基于卸荷岩体力学理论与方法,开展红砂岩试件的室内常规三轴与三轴卸荷试验,分析其变形特征、卸荷量与变形模量之间的关系以及强度参数的变化规律,结合有限单元法构建考虑卸荷作用的算例模型,探究考虑边坡开挖卸荷作用所引起的应力释放后的岩体劣化分区问题,以及边坡动态开挖卸荷下的变形分析。研究结果表明：①当卸荷量达70% 和临近破坏时,其变形模量分别降低了10% 和50% 左右;②岩样卸荷力学状态下粘聚力有所降低,内摩擦角有所增高;③依据边坡初始应力场与开挖后应力场的对比分析从而确定强、弱卸荷影响区,算例模型表明考虑卸荷作用后水平位移净增量计算结果为不考虑卸荷作用计算结果的4 倍左右,且其分步开挖支护效果显著,计算结果更加符合工程实际。研究成果可对边坡岩体开挖卸荷数值计算提供一定的指导意义。     

条形药包爆炸破堤的MM-ALE模拟

为了研究爆炸作用下的堤坝破坏形态,基于MM-ALE法(Multi-material ALE method)对某土质堤坝的爆破试验进行了数值模拟,并对堤坝土体中的应力波传播及密度变化规律进行了分析。结果表明:利用MM-ALE模型可以再现堤坝爆炸溃决演化的全过程,且计算结果与现场试验实测数据吻合较好。堤坝坡面及坝顶自由面附近的反射稀疏波和压缩波反复叠加作用是形成爆炸溃口的关键因素;爆炸坑洞演化相对于爆炸应力波传播具有明显的滞后性;爆后堤坝土体被分为爆腔区、压密区和原状土区三个不同的区域,坑口附近压缩带阻止了由水流冲刷引起的连续纵向下切及溃口边坡失稳坍塌引起的间歇横向扩展,局部爆炸压密对保证爆后堤坝整体稳定性具有重要作用。该研究成果可为爆破拆除土坝和堰塞坝等工程应用提供参考。     

岩石单轴压缩蠕变损伤本构模型

准确预测岩石蠕变行为对岩石力学与工程的研究具有非常重要的意义。首先对岩石蠕变机理及典型蠕变曲线进行了分析,其次通过在经典岩石蠕变模型如J体模型的基础上引入损伤理论及Kachanov损伤演化定律,进而建立了一个新的岩石蠕变损伤本构模型。第三,对模型参数的确定方法进行了详细的研究。最后,引用其他学者所开展的不同轴压下岩石单轴压缩蠕变试验对该模型的合理性进行了验证。可以发现本文所提出的模型不仅能够很好地预测岩石的稳定蠕变阶段,而且还能预测经典模型所不能反映的岩石加速蠕变变形。结果表明损伤理论能够很好地反映岩石的蠕变破坏机理,为了能够准确模拟岩石蠕变变形全过程,在经典的J体模型中引入损伤因子是很有必要的。     

地震条件下陡峭岩体崩塌式渐进破坏研究

基于离散单元法DEM,推导颗粒黏结-阻尼振动-运动演化方程,建立三维陡峭岩体模型,在地震横波与纵波条件下,进行岩体渐进式破坏演化动态过程模拟,在模型中实时跟踪9个监测点相关力学及运动参数,分析从稳定至滑动,再到碎石运动演化过程中参数变形情况。结果表明:细观颗粒间从黏结到损伤断裂再到运动的过程中,非线性运动特征差异化明显。水平向横波作用下,左侧岩体渐进式破坏严重,呈现出断裂-分离-接触碰撞-再分离的运动演化过程。不同振动强度下,岩体破损程度差异明显,振幅15以上岩体破坏严重。纵波单独作用下,岩体虽发生水平向裂纹,中部发生较大变形,但整体结构保持较好;模拟发现横波是岩体破坏的主要因素,纵波和横波叠加作用下两侧岩体破坏严重。     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

简讯

第九届全国岩石动力学学术会议通知中国岩石力学与工程学会岩石动力学专业委员会拟定于 2 0 0 5年 8月在三峡大学召开“第九届全国岩石动力学学术会议” ,会议主题 :“西部大开发建设中的岩石动力学问题” ,欢迎全国相关学科的专家、学者、科技工作者与工程技术人员踊跃投稿并参加会议。会议主题·岩石动力学学科发展与展望·岩石动态力学性质与本构关系·岩石和岩体中应力波的传播与衰减规律·岩石动态断裂机理与数值模拟·岩石动力学与防护工程·边坡动态稳定性分析·锚杆、锚索、土钉抗动载效应·岩石爆破与控制爆破技术·岩爆与冲击地压…     

防灾工程中的计算机仿真技术

本文提出了防灾工程中计算机仿真的作用、思路及主要技术关键,并通过若干例子,包括混凝土构件破坏,岩石块体崩塌,地震作用下房屋碎片分布,房屋在爆炸作用下倒塌等说明仿真技术的应用。     

爆炸荷载作用下钢柱的动力响应与影响因素分析

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立钢柱有限元模型,模拟爆炸荷载作用下钢柱的动力响应,并对影响钢柱动力响应的主要因素进行数值分析。考虑了不同爆炸荷载、材料失效应变、单元网格密度、柱高、柱截面尺寸和柱承担的轴向压力等参数的影响。通过对钢柱动力响应时程曲线进行分析,研究爆炸荷载作用下钢柱响应特性及其破坏机理;通过分析,得到各参数对其动力响应的影响规律。分析结果表明:增大柱的截面尺寸,能够降低柱跨中水平位移;增大柱截面高度,能有效地提高钢框架柱的抗爆承载力;在钢柱抗爆设计中,应控制其所承受的轴向压力大小,轴压比值不宜超过0.3。     

基于Midas模型下考虑构造应力场深埋隧道围岩稳定性研究

地应力是存在于地壳中的应力,由岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力。地应力作为地下构筑物的主要影响因素,在构造应力强烈的地区开挖建设,由于洞壁成为自由表面容易变形,使洞体逐渐缩小或造成坍塌,特别在深埋隧道工程中要考虑其对开挖后围岩的影响,针对性的采取应对措施,保障深埋隧道围岩的长期稳定性。传统方法在面对其复杂的地下环境,均有局限性,适用范围狭窄,笔者通过水压致裂法测定岩层的地应力,结合Midas模型模拟深埋隧道围岩和支护结构,对其受力、变形特点进行分析,探索其分布规律,相互影响,为今后类似工程提供参考借鉴。     

开采地下水引起地面变形的分析

本文模拟开采地下水引起的地面变形机制，建立了一个分析开采地下水引起的地面变形的有限元方法。这个方法可以考虑由于开采地下水引起的土自重的变化，土承受的渗透力的变化，以及承压含水层中水压力及渗透力的变化。在分析中还考虑了土的非均质性及力学非线性性能。分析了一个算例以说明这个分析方法的功能及其适用性。分析结果表明，开采地下水引起的沉降和径向变形对工程的影响是同样重要的，它们在数值上具有相同的数量级；而且，沉降主要是由土自重的变化引起的，径向变形主要是由渗透力的径向分量的变化引起的。此外，这个分析方法可以把开采地下水做为一个过程，分阶段地分析所引起的地面变形     

某高速公路花岗岩边坡稳定性评价及防护措施研究

花岗岩在我国分布广泛,完整新鲜的花岗岩具有良好的工程地质特性,但受到侵蚀、剥蚀、风化等作用的花岗岩体物理力学性质急剧降低,又会成为工程建设中较难处理的岩石之一。公路建设过程中,风化花岗岩边坡较为普遍。由于这类边坡的特殊岩体性质,在一定条件下容易发生失稳,对公路施工和运营都会造成严重危害。因此,研究这类边坡的变形破坏机制和失稳模式,对边坡的开挖和防治具有重要意义。文章通过对某高速公路一风化花岗岩边坡的现场工程地质勘察,在边坡岩体结构特征、变形破坏机制及失稳模式分析的基础上对边坡的整体稳定性做出了评价,进而对边坡开挖和防护提出有效建议,同时也可为同类风化花岗岩边坡的设计、施工提供理论上的参考。     

钢筋砼支撑梁爆破拆除新技术及应用∗

复杂环境下深基坑钢筋混凝土支撑梁的安全、高效拆除是城市建设过程中极为关键的环节。基于箍筋对支撑梁侧向约束作用机制的理论分析,揭示解除箍筋侧向约束效应前后梁内砼单元应力状态的演变规律及对支撑梁爆破效果的影响,并研发新的支撑梁线性切割预处理方法、布孔方法及其毫秒延时起爆网路,形成较为系统的支撑梁爆破拆除技术。工程应用结果表明,支撑梁线性切割预处理方法可显著增强拆除效果;多向协同布孔法可改善爆炸能量耦合状态,减小爆破飞石危害;基于爆破网路连接单元的毫秒延时起爆网路可有效控制振动强度,提高网路可靠性。     

考虑岩石蠕变与损伤的直立层状边坡倾倒模型

倾倒破坏是直立层状岩质边坡失稳破坏的模式之一,目前仅研究了岩石分别为线弹性体、损伤体或蠕变体时在自重作用下边坡倾倒临界高度的计算方法,而实际工程中,岩体则往往同时具有损伤及蠕变特性。为此,针对软岩中同时存在的损伤与蠕变特性,在经典欧拉压杆模型的基础上分别假定岩石为Maxwell蠕变体、基于Weibull分布的统计损伤体及损伤与蠕变共存的复合体等三种模型,获得了相应的边坡倾倒临界高度计算方法,并讨论了相关参数对计算结果的影响。研究结果表明,在直立层状边坡倾倒计算中,应同时考虑细观损伤与蠕变对计算结果的影响,当考虑岩石蠕变性时,边坡倾倒临界高度随时间增加近似呈指数规律下降。     

高拱坝坝肩软弱结构面HM耦合效应试验研究

为定量揭示高拱坝工程蓄水运行后,坝肩岩体中软弱结构面在HM(Hydro-Mechanical)耦合作用下的弱化效应,结合锦屏一级高拱坝工程,现场采集该拱坝坝肩主要断层的原样,用重塑试样方法制备试件,在MTS岩石力学试验系统上开展不同水压(0,1,2,3,4 MPa)情况下的系列三轴压缩试验。结果表明:断层物质的强度参数具有显著的水压弱化效应,其中强度参数f随水压的升高弱化不大,各断层的平均弱化率不超过7%;强度参数c随水压的升高急剧减小,最大弱化率可达100%;考虑两者的综合效应抗剪强度τ,在3 MPa水压与10MPa正应力的工程条件下,各断层抗剪强度的平均弱化率约为25%。同时,建立了不同渗透水压力条件下结构面强度参数预测模型,并采用有效应力原理对结构面抗剪强度的弱化规律和机理进行初步分析。试验成果已应用于锦屏一级拱坝坝肩稳定性研究,研究方法可供多场耦合作用下软弱结构面的力学性能研究参考。