岩体爆破破碎的分形损伤模型

本文提出了一个岩体爆破破碎的分形损伤模型，认为岩体爆破破碎的过程是岩体内原有裂隙发育和损伤增长的过程，且在此过程中，裂隙发育和损伤积累都具有分形特征。在此模型的基础上编制的计算模拟程序可对岩体内的三维损伤分布进行计算，并可对爆破漏斗进行模拟。现场试验与模拟结果吻合很好，说明了该模型的合理性。     

裂隙岩体精细化数值模型构建与爆破模拟

裂隙岩体爆破数值模拟过程中，裂隙分布模型的真实性，是影响数值模拟结果的关键因素之一，现有节理裂隙构建方法难以实现三维分布上的复杂表征或是实现操作过于繁杂。为探索在LS-DYNA软件中构建三维分布上真实、复杂表征的节理裂隙模型简单可行的操作方法，通过MATLAB软件对爆破数值模型K文件进行解析重组，按照节理裂隙三维分布规律进行勾勒并赋予节理裂隙材料本构，构建出符合节理裂隙分布规律的节理岩体三维精细化数值模型。以某露天石灰石矿山为实例，开展节理裂隙三维分布规律统计分析并在台阶爆破数值模型中进行还原，基于裂隙岩体精细化数值模型，开展露天台阶爆破数值模拟试验和现场爆破试验对比研究。结果表明：采用解析重组方法构建的数值节理模型与实际节理裂隙的误差小于13%;节理裂隙面使岩体内的损伤分布规律发生了变化，与完整岩体相比，损伤范围增加了12.04%,粒径处于0～100 mm的占比降低了8.11%;爆破模拟得到的损伤结果与现场破碎效果接近，统计粒径在0～100 mm之间的碎块的占比，误差为4.16%。解析重组法构建三维节理裂隙，可行、操作简便，数值模拟结果接近实际。     

节理岩体中的爆破作用分析

文中对岩体节理在爆破中的破坏作用进行了详细的分析，首先对岩体进行节理和裂隙的定量描述，给出岩体破坏前的初始损伤，在此基础上利用岩体动力破坏和岩石动载破碎的新本构模型对岩体破坏过程进行分析，其结果可以描述岩体的节理间距，岩体损伤情况，从而对节理岩体的破坏有更深入的认识。     

起爆方式对台阶爆破根底影响的数值模拟分析

在台阶爆破中,根底率是评价爆破效果的一项重要指标。根据爆前、爆后岩体声波降低率,计算爆后保留岩体的损伤大小,确定临界破碎状态对应的损伤阈值。基于LS-DYNA的二次开发爆破损伤模拟技术,采用拉压损伤模型,对台阶爆破不同起爆点位置的爆破损伤效应进行数值模拟,并重点比较正向起爆和反向起爆条件下,相邻炮孔之间爆破根底的分布情况。模拟结果表明:起爆点位置能够影响能量和应力的分布状态,导致不同的爆破效果,正向起爆对孔底岩体有较好的破碎效果,能够有效地消除爆破根底,提高爆后台阶面的平整度。     

结构性岩体的爆破破碎分形

讨论了结构性岩体内部结构和岩石破碎的分形特性，建立了岩体结构体的分布函数；用概率统计的方法证明了结构性岩体破碎的实质是一个分维数逐渐增加的分形过程，破碎体块度分布的分形特性是岩体结构性分形和破碎分形的必然结果。同时给出了结构体分形和破碎块度分形之间的关系。通过分析结构性岩体爆破破碎的模拟试验结果，进一步验证了文中的结论。     

爆破漏斗形成过程数值模拟的几个关键问题

合理准确地再现爆破漏斗的形成过程对爆破模拟及工程设计具有重要意义。通过设置人工节理,将模型进行预先离散,在离散元程序3DEC中实现了半无限介质中爆破模拟,包括从炮孔扩张、裂隙发展、岩块飞散到爆堆成型的全过程。讨论了爆炸荷载简化、施加方式和离散方法等对岩石爆破破碎、抛掷及爆堆形成过程的影响。其中对人工节理的倾角和分布进行了重点研究,通过优化人工节理方向,使得模拟结果更符合实际。将爆破块度与岩体离散化结合,提出考虑爆破块度的3DEC人工离散方法,提高了模拟结果的精度。采用该模型与现场试验进行比较,模拟得到的漏斗底半径及深度与试验结果相符。并且该模型大幅度提高计算速度和计算稳定性,可广泛应用于生产实践中,为爆破设计提供参考。     

考虑裂隙岩体爆破损伤的装药结构研究

装药结构是改善裂隙岩体爆破效果的重要因素,结合某隧道爆破掘进工程,通过地质雷达现场岩体损伤探测及柱状装药爆破损伤理论估算,获取隧道掌子面前部裂隙岩体爆破损伤规律,并提出基于其爆破损伤规律的装药结构。雷达探测发现:隧道掌子面前部裂隙岩体受爆破开挖损伤明显,Ⅳ级岩体的裂隙区范围最大值约2.4 m,Ⅲ级岩体为1.8 m,均位于下一装药区域内,理论计算与雷达探测结果基本一致。利用获得的掌子面前方裂隙岩体的爆破损伤规律,提出了"减药非连续装药"装药结构,可减少裂隙区炮孔二分之一装药量。实践证明:该装药结构能提高爆破有效能,降低工程成本与围岩损伤。     

深孔爆破中不同起爆方式对爆生裂纹的数值模拟

为了分清齐发爆破和逐孔起爆的方式对岩体裂纹的影响,运用LS-DYNA动力有限元分析软件,分别对深孔三孔齐发起爆和深孔三孔逐孔起爆的爆生裂纹扩展机理进行了数值模拟,并描述了深孔爆破时的应力分布云图和裂纹扩展以及损伤演化情况,得到岩体的破碎区和裂隙区的范围。模拟分析结果表明:采用逐孔起爆法使岩石的自由面发生改变,炮孔破坏更为严重,对爆破效果产生很大的影响。并对计算结果进行了分析,对指导工程实践有一定的参考价值。     

深孔爆破中不同起爆方式对爆生裂纹的数值模拟

为了分清齐发爆破和逐孔起爆的方式对岩体裂纹的影响,运用LS-DYNA动力有限元分析软件,分别对深孔三孔齐发起爆和深孔三孔逐孔起爆的爆生裂纹扩展机理进行了数值模拟,并描述了深孔爆破时的应力分布云图和裂纹扩展以及损伤演化情况,得到岩体的破碎区和裂隙区的范围。模拟分析结果表明:采用逐孔起爆法使岩石的自由面发生改变,炮孔破坏更为严重,对爆破效果产生很大的影响。并对计算结果进行了分析,对指导工程实践有一定的参考价值。     

基于分形理论的围岩动静力组合损伤研究

深埋隧洞爆破开挖过程中,爆炸荷载和地应力的共同作用是造成围岩损伤的主要原因,威胁到岩体工程的安全。首先在原有裂纹分形模型基础上,引入最大拉应力理论和应变能密度理论作为联合判据,同时考虑岩体拉伸和压缩损伤对围岩参数的劣化影响,建立适合于高地应力条件下的爆破开挖拉-压剪损伤本构模型。然后将模型成功嵌入到动力有限元数值分析中,对锦屏水电站引水隧洞爆破开挖损伤效应进行动力计算,并与实测数据进行对比。在此基础上研究了相同地应力环境下,不同爆炸装药条件对围岩损伤的影响规律。结果表明:岩体损伤区中,内损伤区损伤程度大,主要受爆炸荷载拉-压剪联合损伤作用;外损伤区,损伤程度相对较轻,主要受地应力影响。当爆炸荷载达到一定量级后,随着爆炸荷载的增大,围岩的损伤区先快速增大,然后增速减缓,但内外损伤区的差值,则是先减小后增大。     

分形理论与岩石爆破块度的预报研究

根据分形几何理论，研究了岩石爆破块度的分形特征，发现岩石的爆破块度具有良好的分形结构。探讨了爆破参数与爆破块度分维数之间的关系。笔者认为，对一直困扰我们的由岩石特性引起的爆破成缝的随机性、不规则性和爆破块度分布的复杂性，分形理论可能为岩石爆破后的块度估算、爆前块度的预报和爆破参数的优化研究开创一个新的生长点。     

分形理论与岩石爆破块度的预报研究

根据分形几何理论,研究了岩石爆破块度的分形特征,发现岩石的爆破块度具有良好的分形结构。探讨了爆破参数与爆破块度分维数之间的关系。笔者认为,对一直困扰我们的由岩石特性引起的爆破成缝的随机性、不规则性和爆破块度分布的复杂性,分形理论可能为岩石爆破后的块度估算、爆前块度的预报和爆破参数的优化研究开创一个新的生长点。     

节理岩体爆破损伤演化机理探讨

通过爆破块度与天然块度之间的关系，探讨节理岩体的宏观损伤演化。利用Ｌｅｍａｉｔｒｅ等效应变假设，分析细观损伤与宏观损伤的耦合损伤，为建立节理岩体在爆炸炸载荷作用下的损伤模型探索一条途径。     

岩石爆破损伤模型实验研究

岩石中含有以孔隙、气泡、微观裂隙、节理面等形态表现出来的岩石损伤。损伤的存在无疑要对岩石的爆破破碎效果产生影响。本文在相似性分析的基础上,提出了在实验室进行岩石爆破损伤模型实验的新方法,进而对损伤以及介质强度对爆破破碎效果的影响进行了分析研究。     

岩石爆破损伤模型及其研究进展

损伤模型明确反映了岩石应变率效应及岩石动载破坏的“脆断”和“灾变”特性，并为岩石爆破破碎区的确定和爆破块度预测提供了直接而可行的判据。本文系统介绍了岩石爆破损伤模型的研究进展及成果，指出了其工程应用前景。     

岩石爆破损伤模型及其研究进展

损伤模型明确反映了岩石应变率效应及岩石动载破坏的“脆断”和“灾变”特性,并为岩石爆破破碎区的确定和爆破块度预测提供了直接而可行的判据。本文系统介绍了岩石爆破损伤模型的研究进展及成果,指出了其工程应用前景。     

岩体中传爆点振效应破岩机理探讨

岩体爆破机理研究工作开展的十分艰难,现有的主要理论均不能全面彻底地解释岩体爆破中的现象、描述岩体的破碎过程。而几乎所有的理论都是从岩体出发来展开研究,忽略了对炸药作用的研究。总结前人在岩体爆破破碎机理研究上的学说、论断、论点,结合爆破实践,以炸药作用为出发点,提出传爆点振效应破岩机理,且按照作用源划为三类破岩模式。并尝试用该理论来解释岩体爆破中的各种现象,更加有效、充分、客观地揭示岩体爆破破碎机理的物理实质。     

水封爆破装药结构优化数值分析及其应用

以温泉隧道为研究背景,从应力、振速变化、动态损伤以及爆后粉尘的角度对药柱上部水间隔、两端水间隔和下部水间隔三种装药结构进行模拟分析,选取最优结构用于工程施工。研究结果表明:(1)药柱底部水间隔装药结构易造成孔口围岩破碎导致爆炸气体流出,降低爆破效果;药柱上部和两端水间隔装药结构爆炸应力持续时间较长,有利于围岩破碎,其中药柱两端水间隔装药结构底部存在水介质,对孔底围岩起到保护作用;(2)采用两端水间隔装药结构能够同时降低炮孔两端围岩振速和所受应力,减少炸药能量流失,使其充分作用于围岩进行破碎,降低炸药单耗;(3)药柱上部水间隔装药结构对孔口围岩损伤最小,导致爆破后岩石块度较大;药柱底部水间隔装药结构形成的整个损伤区域最小,采用这种装药结构炸药单耗偏高;药柱两端水间隔装药结构形成的损伤区域规整,爆破后岩石块度最小;(4)三种装药结构中,下部水间隔结构爆后粉尘浓度最高,两端水间隔装药结构爆破后粉尘浓度稍高于上部水间隔装药结构,但是相差不大,而两端水间隔装药结构的爆破效果要优于上部水间隔装药。综上所述,药柱两端水间隔装药结构最优,可用于工程施工。综上所述,药柱两端水间隔装药结构最优,可用于工程施工。     

分层装药爆破间隔填塞长度优化研究

分层装药爆破在工程中应用广泛,其具有良好的爆破减振和提高孔口堵塞段破碎等效果。但是在实践中,合理的中间填塞长度选择一直缺乏依据。通过有限元软件LSDYNA对90 mm孔径6 m深的炮孔分别建立中间填塞段长度为25~105 cm的五个模型,上、下药包装药量固定,耦合装药,以爆破损伤以及单元所受最大拉应力两个指标来分析填塞段长度对分层爆破效果的影响。结果表明:中间填塞长度过短,能量集中作用于中间段,会导致岩石过于粉碎;中间填塞长度的增加,孔口堵塞段岩体破碎效果也随之改善,填塞长度105 cm和25 cm相比,地表处单元所受最大拉应力增加了约1倍,但中间段破碎效果弱化;当中间填塞段长度为85 cm时,中间填塞段岩体和上部岩体均有较好的破碎效果;通过振动分析,中间填塞长度变化对离炮孔较远区域爆破振动的影响较小。基于数值模拟结果的工程试验表明,最佳中间填塞段长度为85~95 cm,较数值模拟结果稍大。