节理岩体爆破数值模拟研究

为了研究节理对岩体中应力波与爆炸能量传播的影响规律,利用动力有限元分析程序LS-DYNA分别对不同数量、宽度与充填强度的节理岩体爆破进行了数值模拟。模拟研究发现,不同赋存状态的节理均会影响爆炸应力波的传播,随着节理数量与宽度增多,波的反射增强,透射波强度减弱,应力波衰减程度加快,而充填强度越小,对应力波的阻隔作用越明显;爆炸能量在节理数量少、宽度小及充填强度大的岩体中衰减较慢,能量利用率高,爆破效果更好。     

不同地应力下应力波在节理岩体中传播试验

在地应力作用下,应力波在节理岩体中的衰减规律是近些年在深埋地下工程中的热点问题.本研究设计了可同时模拟单条节理和多条节理的组合砂浆试块模型试验,自制地应力加载系统,其尺寸为180 cm×80 cm×25 cm.为避免炸药爆炸应力波与爆生气体难以分离的情况,提出一种电火花震源替代炸药震源激发应力波的方法,分析了应力波在地应力荷载下单条节理和多条平行节理中的传播衰减规律.试验结果表明,当电火花激发电压为2500 V时,随着地应力从0.5 MPa增加到5.0 MPa,地应力对波传播有一定的抑制作用,应力波在节理岩体中有效波速随地应力的增加而增大,单条节理与多条节理岩体中透射系数都随地应力增加而减小.     

基于裂缝尖端应力强度因子的裂缝穿层行为分析

基于裂缝尖端应力强度因子理论,采用理论分析结合数值模拟的方法,分析了裂缝尖端应力强度因子在裂缝穿层过程中的变化规律,研究了界面两侧岩石力学性质差异对地层界面处裂缝穿层扩展行为的影响。研究表明:当裂缝由硬岩层进入软岩层时,界面强度系数大于1,I型应力强度因子随着裂缝尖端与界面距离的减小迅速增大,裂缝可沿原路径穿层扩展;当裂缝由软岩层进入硬岩层时,界面强度系数小于1,I型应力强度因子随着裂缝尖端与界面距离的减小逐渐减小,裂缝的穿层扩展趋势受到限制,裂缝可能停止扩展或拐折穿层扩展。     

含水平弱夹层岩体界面应力及破坏形式

针对岩体工程中的弱夹层对工程结构的整体稳定性和支护结构安全性有不利影响的问题,认为结构强度和破坏形式与围岩和夹层各自的力学特性及二者间结合界面的应力状态有关.假设含弱夹层岩体为横观各向同性弹性复合岩体(不针对具体岩石种类),按照叠加原理,推导出夹层水平时复合岩体界面处应力表达式,并通过数值仿真对层状岩体应力分布进行定性验证,在此基础上进行强度分析,并给出含弱夹层岩体的破坏形式和破坏机理,对任意两种变形能力有差别的岩石组成的复合层状岩体,尤其弾脆性岩体适用.     

装药爆炸下地下拱形结构变形及破坏特征分析

地下拱形结构侵彻爆炸下涉及许多复杂的物理过程,即装药的爆炸、弹坑的形成、冲击波的传播、应力波在岩石介质中的传播以及岩石与结构的相互作用.为了解决上述复杂问题,利用非线性动力有限元软件LS-DYNA对常规武器侵彻爆炸作用下地下拱形结构的动力响应展开研究.通过数值模拟可较直观地了解应力波的传播过程,及爆炸应力波在拱形结构物中传播及与周围围岩的相互作用.对爆炸应力波作用下拱形结构的变形和破坏特点进行了分析.数值计算结果表明,在爆炸应力波作用下钢筋混凝土结构内侧受反射拉伸波作用产生震塌破坏,加大药量时结构的震塌破坏程度加重,大约在距拱中心线1/4处产生应力集中,形成塑性铰.可为工程设计、改造加固及战时快速抢修提供有益的参考.     

爆炸荷载作用下地下结构杭层裂钢板机理分析

为了对某飞机洞库的抗层裂钢板进行有效地设计,基于层状介质中一维应力波的传播理论,给出了脉冲荷载作用下地下结构混凝土中的应力历史计算方法.通过算例研究了混凝土中应力波的传播规律,揭示了混凝土-钢板层状结构抗层裂的相互作用机理,可为地下结构的抗层裂设计、施工提供参考.     

爆炸应力波作用下的凿岩爆破破岩模拟

爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体载荷共同作用的结果,本文采用改进的DDA方法模拟爆炸应力波作用下的爆破破岩过程. 采用Hopkinson层裂算例验证了DDA方法对应力波传播和动态断裂破坏问题模拟的准确性. 通过在炮孔壁上施加三角冲击载荷,模拟再现了凿岩爆破中爆炸应力波作用下的孔周破坏、自由表面剥落、碎裂漏斗区域形成、较远区裂纹的扩展,以及岩体的抛掷,结合应力波传播模拟结果对破岩过程与机理进行了分析. 研究为进一步采用DDA模拟两种形式爆破载荷共同作用下的凿岩爆破创造了条件.     

基于Goodman单元的顺层边坡爆破动力响应数值模拟

为了研究爆炸荷载作用下顺层边坡岩体的动力响应,采用数值模拟的方法对边坡坡面及岩体内部质点振速、应力场的分布规律进行分析,采用Goodman单元模拟岩体内部软弱结构面.结果表明：边坡台阶处坡形的变化会导致质点振速和应力值波动明显,台阶突出部位"鞭梢效应"显著,但质点振速与应力并非在边坡坡面的同一位置达到峰值,因此将质点峰值振速或应力值作为评价边坡稳定性的单一指标并不合理;岩体内部质点的动力响应规律主要与介质阻尼、结构面以及边坡形状等因素有关,结构面的存在会造成爆炸应力波的反射叠加,质点振速和应力值在结构面之前也有一定程度的放大;边坡自由面对应力波的反射叠加效应不应忽视.     

充填环境下预裂缝的爆破动力响应分析

根据广西高峰矿新采矿方法的工程实际情况,采用高能炸药的Joles-Wilkins-Lee(JWL)状态方程,以质点振动速度峰值PPV为主要指标,利用显式动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟充填采矿中预裂缝对爆炸应力波的作用机理,分析爆炸应力波在充填环境下的传播特征以及在经过预裂缝和不同介质分界面的衰减规律。研究结果表明：爆炸应力波在经过预裂缝时,质点振动速度峰值急剧衰减,预裂缝具有良好的降振效应,降振率在80％～90％之间;不同介质的分界面弱结构具有一定的降振效应,降振率在3％～10％之间;在邻近爆源一侧,预裂缝和分界面表现出能量聚集效应,且距预裂缝和分界面越近,能量聚集效应越明显,其能量聚集率最大可达25％。     

岩体结构面对爆炸冲击工程响应的影响

基于裂隙岩体的结构面是矿山安全生产的重要影响因素,对爆炸冲击应力波的传播规律有重要影响,以铜坑矿岩体力学参数为基础,采用ANSYS/LS-DYNA软件,建立结构面厚度、倾角及结构面充填材料对爆炸冲击工程响应的数值模型,获取结构面对爆炸冲击下的工程响应特性,并基于神经网络构建结构面参数灰关联神经网络预测模型,确定结构面参数在爆破冲击工程响应的重要度。研究结果表明:结构面前、后测点的质点峰值振速的衰减度与结构面厚度呈指数函数,当结构面厚度为0,5,10,15和20 cm时,衰减度分别为0.365,1.508,2.303,2.418和2.443;结构面倾角对爆破冲击工程响应与衰减度呈正相关,当结构面倾角为30°,45°和60°时,衰减度分别为1.580,2.495和2.698;当结构面的充填材料为胶结、碎屑、泥质时,质点峰值振速的衰减度分别为2.303,2.458和2.598,与充填材料的强度呈负相关;3种因素的影响度由大到小依次为结构面厚度、倾角、充填材料强度。     

脉冲水射流破岩过程中的应力波效应分析

引入Johnson-Holmquist-Concrete岩石非线性本构关系,利用光滑流体粒子动力学方法,模拟了脉冲射流在破岩过程中应力波形成、传播及衰减过程,得出了高速脉冲射流作用下岩石表面不同位置处应力值随时间变化曲线,以及应力波峰值强度与离射流作用点距离的关系曲线,根据计算结果分析了岩石在应力波效应下的破坏行为以及射流速度、岩石性质对应力波效应的影响。分析结果表明：脉冲射流的应力波效应具有较强的局部性,应力波峰值强度随与射流作用点距离的增大而急剧减小;脉冲射流应力波强度、作用范围与射流速度呈正比例关系,其对岩石的体积破坏存在一个门限速度;不同岩性岩石在脉冲射流应力波作用下的破坏形式有所不同,砂岩等强度较低岩石的破坏形式主要为应力波对岩石加卸载过程中的拉应力下的裂纹扩展,而石灰岩、花岗岩等脆性硬岩的破坏形式主要为应力集中导致的纵向破坏。     

节理岩体对P波传播的影响

应力波在节理岩体中的传播规律是十分复杂的,不仅会受到岩石物理力学参数的影响,还会受到节理性质及分布特征的影响.以含平行双节理的岩体作为研究对象,采用数值模拟的方式探讨了平面P波在节理岩体中传播规律.首先,对含平行双节理的岩体进行了分析,探讨了节理刚度、归一化节理间距、节理倾角、节理刚度比对质点振速缩放系数(VSF)在节理前、节理间和节理后分布特征的影响.结果表明:对于节理岩体,节理刚度越大,平面P波的透射性越好,能量衰减的越少;在一定范围内,归一化节理间距越大,能量衰减的越多;节理倾角对不同位置的监测点的影响各不相同;不同刚度比下,对节理2附近的监测点影响较大,其余监测点基本上没有影响.     

岩石三维应力控制压裂实验研究

通过对岩石三维应力控制压裂实验结果的分析，得出了裂缝的条数，长度，方向与应力场，装药量，孔径的关系。表明岩石三维应力控制压裂法能够产生随机的，两条以上的裂缝，有效提高岩体的渗透率。在用水压裂时各方向的裂缝都得到扩展，爆后炮孔壁基本上保持完好。     

Propagation patterns of microseismic waves in rock strata during mining:an experimental study

Microseismic monitoring has been widely used in mines for monitoring and predicting dynamic disasters such as rockbursts and waterbursts. However, to develop high-precision microseismic monitoring systems, the propagation patterns of microseismic waves under complex geological conditions must be elucidated. To achieve this aim, a simulation model of a typical coalmine was designed using similar materials according to the similarity theory to simulate the mining process. Geophones were embedded into the model to detect the propagation of elastic waves from microseisms. The results show that in an unmined solid rock mass, the wave velocity in shallow rock strata is mainly affected by geologically weak planes, whereas in deep strata it is affected mainly by the density of the rock mass. During propagation, the amplitude first decreases and then increases rapidly with increasing propagation distance from the coal layer. After mining, our results indicate that the goaf causes significant attenuation of the wave velocity. After the goaf was backfilled, the velocity attenuation is reduced to some extent but not eliminated. The results of this study can be used as guidelines for designing and applying microseismic monitoring systems in mines.     

层理岩体爆破应力波传播规律研究

本文以层理岩体地层隧道开挖爆破为研究背景,通过理论解析和数值模拟分析层理倾角变化对爆破应力波的传播影响。研究发现：层理对应力波具有一定的吸收和反射作用,加速了爆破应力波在层理岩体中衰减;层理倾角越大应力波的透射率越小,应力波透过层理的衰减度越大;当应力波由硬介质入射到软介质中时透射率小于1,反之透射率则大于1。当层理倾角大于30°时,应力波的反射率随层理倾角的增大而变大;小于30°时,应力波反射率随层理倾角的增大而减小。此外,运用公式求解得到质点振动速度衰减度随层理倾角变化关系。     

块系岩体摆型波能量转化和耗散规律

摆型波现象发生在块系岩体之中,其特性迥异于连续介质中的弹性波。摆型波携带大的能量,易引发冲击地压等各种工程地质灾害。基于一维块系岩体中摆型波传播动力模型,利用中心差分法,求解块体系统在不同刚度、黏度及块体尺度情况下摆型波的能量值,分析上述因素变化对能量转化和耗散的影响。研究表明:随着刚度系数的增大,每个块体弹性势能的最大值也增大,系统动能和弹性势能的衰减周期减小;黏性系数越大,每个块体弹性势能最大值越小,每个衰减周期内的能量峰值显著降低,能量衰减速度变快;随着块体尺度的减小,系统动能和弹性势能的衰减周期变大,衰减周期的能量峰值显著降低,系统总能量在前期的衰减速度变快。受到固定端的影响,靠近固定端的块体的最大动能和最大弹性势能会有所增加,且最大弹性势能增加的幅度远大于动能增加的幅度。研究结果对预防工程灾害、保障工程安全具有重要意义。     

混凝土骨料粒径对弹性波特征参数衰减影响研究

混凝土的物料组成影响着弹性波特征参数的衰减规律,该规律的研究对于提高工程安全检测精度意义重大.以0.1～0.25 mm,0.5～1 mm,1～2 mm和2～5 mm粒径的砂为骨料制成板状混凝土试件,利用声发射测量系统记录不同传播距离处的信号全波形,分析骨料粒径对弹性波衰减过程的影响机制.结果表明:弹性波的幅值按负指数函数衰减,衰减系数分别为0.04375,0.02579,0.02185,0.01871,即骨料粒径越小,则幅值的相对衰减速度越快;弹性波能量衰减规律也符合负指数函数,粒径越小,则能量衰减速度越快;弹性波的衰减速度与频率密切相关,随传播距离的增加,信号主频和频谱重心均近似线性下降,即高频信号部分衰减更快;此外,声发射信号振铃计数大致呈对数函数衰减.     

地震动斜入射下层状岩体隧洞接触响应分析

为研究层状岩体对隧洞地震响应的影响,考虑地震动斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性,建立一种层状岩体水工隧洞地震动力响应数值模拟方法.首先,基于三维黏弹性人工边界条件和波场分解理论,将地震动转化为作用于人工边界上的等效节点力,建立了一种层状岩体中地震动三维空间斜入射输入方法.其次,针对地震作用下层状岩体层间动力相互作用特点,建立了一种考虑接触面黏结滑移特性的动接触力算法.将该模拟方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算,对比分析地震动竖直入射、地震动斜入射、地震动斜入射且考虑动接触3种工况的计算结果,结果表明,地震作用下隧洞结构的应力和位移响应受地震动入射角影响明显;层间剪切、挤压破碎带的存在加剧了隧洞的地震反应,接触面附近破坏区发展较大;考虑接触作用后,衬砌腰部的应力和位移响应相比顶拱较大,首先发生开裂损伤破坏,成为水工隧洞衬砌结构抗震设计的薄弱部位,隧洞结构的损伤区主要分布于软岩穿过部位和层间接触部位.     

Study on the Propagation of Interface Crack of Young Concrete Lining and Rock Under Blasting Load

In the construction of water conservancy and hydropower project, young concrete lining structure is often affected by blasting load. Young concrete has a lot of micro-fractures with random distribution, which are easier to propagate and connect under blasting load. This paper focuses on the calculation on dynamic stress intensity factors of bond interface crack of concrete-rock according to concrete age. Result shows that different incidence angles of stress wave lead to different crack propagation mechanisms. Under the normal incidence of impact load, the bonding interface crack propagation of the concrete lining is mainly caused by reflection tensile stress, which forms from the free surface. With horizontal incidence of stress wave, the bond interface crack propagation of concrete lining is affected by concrete age. With the increase of concrete age, the elasticity modulus margin between concrete and rock decreases gradually, and the crack propagation form changes from shear failure to tensile damage.     

煤岩交界面对水力压裂裂缝扩展的影响

针对井下煤层压裂过程中,压裂裂缝扩展至煤岩交界面处,受多种力学因素的综合影响,扩展方向可能会发生偏转.通过建立压裂裂缝遇煤岩交界面二维模型,采用理论分析结合数值模拟的方法,对煤岩交界面的破坏机理及压裂裂缝扩展规律进行研究.结果表明:煤岩交界面与水平剖面的相交角、水平主地应力差、最小水平主地应力、煤岩交界面的黏聚力及煤岩层弹性模量差异等是影响裂缝扩展方向的主要因素.随着相交角或水平主应力差的增加,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性增加;最小水平主地应力越大,裂缝直接穿过煤岩交界面的可能性越小;煤层交界面的黏聚力越小或煤层与顶板岩层的弹性模量差异越大,裂缝沿煤岩交界面扩展的趋势越明显.