爆生气体作用下岩石裂纹扩展机理与数值模拟

摘要

岩石爆破损伤断裂过程是一个复杂的过程。由于岩石材料的非均匀性及各向异性,理论上很难对其构成特征作准确地描述;由于外载荷作用下微缺陷以及宏观裂纹之间相互作用的复杂性,现有的解析方法尚缺少有效的手段对此进行研究;而且由于实验设备、测试手段的局限性,还不能对爆破破裂过程细观层次结构变化进行全场测量,特别是不能对非均匀的应力应变场进行精确观测。因而,尽可能了解岩石爆破损伤断裂机理,并利用数值模型模拟岩石的复杂性质,进而模拟爆破发生裂纹发展的全过程,是爆破理论与技术发展的主要课题之一。本文以岩石断裂力学和损伤理论为基础,研究岩石在爆炸应力波动作用和爆生气体准静态作用下的损伤断裂机理。深入的分析爆生气体的准静态作用对裂纹扩展的影响,认为爆破工程中,裂纹的扩展、岩石的破碎主要是由于爆生气体的作用,爆生气体是岩石内裂纹扩展的主要原因。在此基础上,对爆生气体准静态作用下岩石裂纹扩展过程进行了数值模拟计算。基于对岩石细观结构的认识,考虑岩石的非均匀性,将岩石材料性质通过某种统计规律来描述——按照某个给定的威布尔分布和正态分布来赋值。建立了一个从细观层次上分析岩石破裂过程的非均匀模型,对岩石非均匀性及初始地应力对裂纹扩展的影响进行分析。经过计算可知,均质度系数是表征岩石材料细观差别的性质参数,也是决定岩石宏观力学性质的内在因素;在地应力已知的情况下,初始裂纹与最大水平地应力方向夹角越小,裂纹的扩展长度越大,夹角越大裂纹扩展长度越小,裂纹扩展总长度也随地应力的增大而减小。因而,高地应力条件下,其它地质条件相同时,岩石更难爆破,炸药单耗要相应增加。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 问题的提出

1.2 岩石爆破破岩原理与方法

1.2.1 岩石爆破破岩原理的几种假说

1.2.2 无限岩石中炸药的爆炸作用

1.2.3 影响爆破效果的因素

1.3 岩石爆破模型的研究现状

1.3.1 弹性理论模型

1.3.2 断裂理论模型

1.3.3 损伤理论模型

1.4 岩石爆破的数值模拟

1.5 本文的研究内容

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

2 岩石爆破损伤断裂机理研究

2.1 岩石爆破破岩机理

2.2 岩石损伤断裂机理研究

2.2.1 岩石的损伤

2.2.2 损伤与断裂的关系

2.3 岩石爆破损伤断裂机理研究

2.3.1 岩石的爆破损伤

2.3.2 岩石的爆破损伤断裂机理

2.4 基于损伤的裂纹扩展算法

2.4.1 双折线损伤演化模型

2.4.2 算例

3 爆生气体在爆破破岩中的作用

3.1 爆生气体的扩缝作用

3.2 爆生气体的膨胀压力

3.3 裂纹尖端处的应力场

3.4 爆生气体作用下裂纹扩展条件及方向

3.5 p-t 曲线的理论计算及量测

4 非均匀岩石计算模型的建立

4.1 岩石的基本特性——非均匀性

4.2 非均匀性的物理统计描述方法

4.2.1 用Weibull 分布实现非均质性

4.2.2 用正态分布实现非均质性

4.3 数值模型的建立与计算

4.3.1 基本假设

4.3.2 模型的建立与计算

5 岩石非均匀性对裂纹扩展的影响

5.1 非均匀性对岩石强度的影响

5.2 模型计算参数的选取

5.3 数值模拟及结果分析

5.4 本章小结

6 地应力对裂纹扩展的影响

6.1 地应力

6.2 计算方案的选取

6.3 数值模拟及结果分析

6.3.1 初始地应力场

6.3.2 各工况下裂纹的扩展过程及结果分析

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录