压应力场中爆生裂纹分布与扩展特征实验分析

采用动静组合加载实验装置和数字激光焦散线实验系统,进行了0、3、6、9 MPa等4种压应力场中PMMA试件的爆破致裂实验,分析了沿静态主应力方向扩展的裂纹运动学和力学行为。实验结果表明:首先,静态竖向载荷在预制炮孔周围产生应力集中,在炮孔壁上下端部处出现最大拉应力;随后,在动态爆炸载荷的叠加作用下,裂纹优先在炮孔壁上最大拉应力位置处起裂,并沿最大主应力方向扩展;裂纹扩展过程中,静态竖向载荷越大,裂纹扩展速度越大,且裂纹尖端应力强度因子值越大。     

定向断裂控制爆破的空孔效应实验分析

采用新型数字激光动态焦散线实验系统, 对爆炸荷载作用下空孔周围的动应力场分布及空孔对爆生主裂纹扩展行为的影响进行了研究。研究结果表明, 在空孔周围强应力场的影响下, 2条相向扩展的爆生主裂纹逐渐向空孔处偏转, 并在空孔处贯通; 空孔附近的主应力方向与炮孔连心线夹角基本稳定在约12°, 增大空孔尺寸对空孔附近的主应力方向影响不明显; 爆炸应力波与空孔相互作用, 产生反射拉伸波, 改变了主裂纹尖端的应力场, 降低了主裂纹的扩展速度, 且空孔直径越大, 主裂纹的扩展速度越低; 当爆生主裂纹扩展到空孔附近时, 主裂纹尖端动态应力强度因子再次出现上升的趋势。     

爆炸应力波作用下动、静裂纹相互作用的实验研究

采用数字激光动态焦散线测试系统,研究爆炸应力波作用下动裂纹与预制静裂纹(水平夹角为90°、150°)相互作用机理,以及裂纹扩展的动态行为。结果表明:(1)在动、静裂纹贯通之前,静裂纹两端便出现焦散斑,动、静裂纹贯通以后,静裂纹沿爆炸应力波传播方向扩展,并且扩展速度小于动裂纹扩展速度,也小于无静裂纹时动裂纹扩展速度; (2)静裂纹存在时,动裂纹扩展的总体长度减小。动裂纹起裂时间缩短,扩展速度基本不受静裂纹的影响,裂纹应力强度因子值大于静裂纹两端值; (3)随着静裂纹水平夹角的增大,动、静裂纹贯通时动裂纹沿水平方向偏转距离增大,静裂纹B端反向扩展与动裂纹相互“咬合”,C端裂纹扩展位移和速度增大。     

基于双向聚能拉张爆破理论的巷道顶板定向预裂

为在切顶卸压沿空留巷中获得巷道顶板预裂炮孔的最优间距,基于双向聚能拉张爆破技术,采用以LS-DYNA动力分析软件为基础的数值模拟和现场试验对巷道顶板定向预裂进行研究,优化炮孔间距。数值模拟结果表明,当炮孔间距为400 mm时,应力波叠加后产生有效的拉应力;当炮孔间距为500 mm时,应力波叠加后也能够产生有效的拉应力,该拉应力大于孔壁围岩的抗拉强度,能够使孔壁围岩沿聚能方向形成裂缝,且利于炮孔间裂纹的扩展;随着炮孔间距进一步的增大,当炮孔间距为600 mm爆破时,由于间距过大,应力波无法有效叠加,不能产生连续裂缝。现场试验表明,间距为400和500 mm的炮孔间隔爆破时,未爆破孔自炮孔孔底至孔口产生连续有效裂缝,裂缝长度达2.4 m,相邻炮孔间沿炮孔中心线均能够形成连续有效的切缝面,能够有效控制沿空巷道顶底板位移及沿空巷道顶板压力。综合分析,在3种不同炮孔间距的试验方案中,确定间隔爆破、500 mm的炮孔间距为同一地质条件下3种试验设计中的最优方案。     

深埋岩石隧洞的周边控制爆破方法与参数确定

利用弹性理论方法,结合周边控制爆破的炮孔间贯通裂纹形成机理分析了原岩应力对光面爆破和预裂爆破炮孔间贯通裂纹形成的影响。结果为:原岩应力的存在有利于光面爆破的炮孔间贯通裂纹的形成,不利于预裂爆破的炮孔间贯通裂纹的形成。由此得出结论:高原岩应力条件下的隧洞开挖周边控制爆破宜采用光面爆破方法,光面爆破参数需要根原岩应力、隧洞开挖半径和岩石力学性质进行相应调整。对高原岩应力条件的隧洞开挖实施预裂爆破时,应采用岩石定向断裂爆破技术。     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法. 实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响. 本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型. 基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用. 爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹. 数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程. 针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.      

切槽孔爆破动态力学特征的动焦散线实验

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了有机玻璃切槽孔爆破模型的裂纹动态特征变化规律。比较了不同切槽角度、切槽深度的定向断裂裂纹尖端的扩展长度、扩展速度和动态应力强度因子。初步探讨了切槽爆破的动态效应,研究表明切槽孔爆破早期裂纹破坏模式为爆炸拉应力波作用下的I型快速扩展裂纹,裂纹尖端拉应力集中积聚的较大应变能维持了爆炸裂纹进一步扩展,裂纹尖端扩展后期表现为P波、S波共同作用下的复合型扩展特征。切槽角为60时获得的定向断裂效果最好,合理切槽深度为炮孔半径的1/4～1/2。     

轮廓爆破下柱状节理岩体开裂过程的数值模拟

以白鹤滩水电站柱状节理玄武岩为研究对象,根据现场的柱状节理分布统计资料生成数值模型,模拟边坡开挖轮廓爆破下柱状节理岩体的开裂过程。结果表明:轮廓爆破时,柱状节理面对岩体裂纹的发展起着导向和控制作用;爆炸荷载作用下炮孔周围的节理面首先张开,然后裂缝沿着炮孔连心线附近的节理面扩展,最后形成贯通的由大量柱状节理面连接而成的裂缝;预裂爆破条件下,预裂缝宽度先增大后减少,最后达到稳定的开度,而且预裂爆破在柱状节理岩体中产生的裂纹范围比光面爆破产生的大。     

起爆时差对孔间裂缝贯穿影响的动光弹研究

文章用动光弹试验方法研究了相邻两个炮孔被同时起爆和采用不同的起爆时差起爆时炮孔之间应力波的传播及其应力波对裂纹扩展的影响,并重点研究了炮孔之间裂纹的产生、扩展及贯穿过程和机理。研究结果表明:在先起爆的炮孔爆炸产生的动态应力场存在时起爆另一个炮孔,即起爆时差N基本满足t/c(?)Nt/c(?),是在后起爆的炮孔孔壁上产生主导控制裂纹的最有利条件;在先起爆的炮孔旁钻导向孔,并采用合适的起爆时差可以获得炮孔间的最佳贯穿。     

不同地应力条件下切缝药包爆破的数值模拟

针对切缝药包定向爆破的特点,考虑岩石介质非均匀性的基础上,把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用的过程,基于损伤力学理论建立岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下切缝药包爆破的裂纹演化规律进行数值模拟,分析不同地应力条件对切缝药包爆破效果的影响。模拟结果表明:采用切缝药包爆破时,裂纹主要萌生于切缝周边,沿切缝方向扩展,切缝对定向裂纹的控制作用明显;当考虑地应力作用,且最大地应力方向与切缝方向垂直时,不利于定向裂纹的扩展;最大地应力方向与切缝方向平行时,有利于定向裂纹的扩展。裂纹的扩展方向受控于切缝角度和最大地应力方向这2个条件,裂纹扩展规模则受到地应力的限制。     

缺陷介质切槽爆破断裂行为的动焦散线实验

利用数字激光动态焦散线实验系统,对含缺陷介质在切槽爆破和普通炮孔爆破中爆生裂纹的断裂行为进行对比研究。结果表明,切槽爆破中沿切槽方向起裂的主裂纹比非切槽方向早10 μs,有利于能量优先沿切槽方向释放;切槽方向主裂纹的起裂韧度为0.58 MN/m3/2,其裂纹扩展的平均速度为277 m/s,分别是普通爆破时主裂纹相应值的54%和86%;当切槽方向主裂纹与缺陷介质贯通后,为爆生气体提供了足够的膨胀空间,诱导爆生气体向预制裂纹两端释放,翼裂纹起裂以Ⅰ型拉伸破坏为主,并在裂纹扩展的60~250 μs内,Ⅰ型动态应力强度因子保持在0.6~0.8 MN/m3/2,形成了明显的平台,延缓了翼裂纹扩展速度的衰减,最终较普通炮孔翼裂纹扩展时间和扩展长度分别增加了22.7%和17.8%。     

高应力岩体爆破卸荷过程中应变率及应变能特征

针对高应力岩体爆破开挖卸载问题，自制了一台轴向加、卸载实验测试平台，通过实验测试获得了爆破卸荷过程中岩杆的动态应变及应变率数据。实测数据表明:开挖面附近岩体的爆破加、卸载以及初始应力卸载应变率均在10?1 s?1量级以上，验证了高地应力区岩体爆破开挖卸荷是一动态过程。建立了初始应力卸载一维力学模型，揭示了卸载波的传播机制；通过分析爆破卸荷过程应变能密度的时空分布特征，建立了应变能密度与各阶段应变率变化规律的联系。结合实测数据，采用隐式-显式顺序求解方法，进一步分析了高应力区岩体爆破卸荷荷载各阶段应变率沿岩杆的变化规律。结果表明:爆破加载阶段的平均应变率沿杆件逐渐衰减，且衰减速度逐渐减小；爆破卸阶段平均应变率沿杆件也呈衰减趋势；而初始应力的应变能稳定释放，其平均应变率无衰减趋势。     

Study on the coalescence mechanism of splitting failure of crack-weakened rock subjected to compressive loads

It is of important significance to study the coalescence mechanism of splitting failure of crack-weakened rock masses under compressive loads. In this paper, a simplified mechanism of crack propagation, in which the crack grows along the direction of maximum principal compressive stress, is proposed. Thus, only mode I is taken into account in the formulation and solution. On the basis of the near crack line analysis method, the elastic–plastic stress field near the crack line is analyzed, and the law that the length of the plastic zone along the crack line is varied with an external loads have been established by the matching condition of the elastic- plastic fields on the boundary, the coalescence stress and the strength properties of rock masses have been determined. The solution is a function of the geometry of the crack array. The results show that the crack coalescence depends on the crack interface friction coefficient, the sliding crack spacing, orientation of the cracks, and the crack half-length. The conclusions are of important significance for rock mass engineering.     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

横观各向同性油气藏水力压裂裂纹扩展规律研究

针对横观各向同性与各向同性油气藏水力压裂裂纹扩展的差异性,基于扩展有限元法建立水力压裂力学模型,通过ABAQUS子程序开发了各向同性和横观各向同性岩体的起裂判据。在各向同性岩体数值模拟结果与解析解以及现场压裂典型曲线对比吻合的基础上,得到了包含层理构造的横观各向同性岩体水力压裂过程中裂纹扩展规律。层理类岩体水力压裂的裂缝扩展方向由地应力状态、层理方向以及岩体与层理界面抗拉强度共同决定;水力压裂过程中,注水压力在裂纹尖端产生应力集中,层理面法向分量先达到界面抗拉强度时,裂纹沿层理方向开裂,反之裂纹沿垂直最小地应力的方向扩展;裂纹扩展速度随层理抗拉强度的增加而降低;由于地层的滤失,随压裂液的注入,裂纹长宽尺度增长速率降低。     

初应力条件下超临界CO2气爆致裂规律研究

为研究地下爆破工程中初始地应力条件下超临界CO2气爆的致裂规律,利用自主研发的三轴加载式超临界CO2气爆实验系统,对不同应力组合工况下混凝土试件进行了超临界CO2气爆致裂实验,实验结果表明超临界CO2气爆爆破峰值压力低且高压持续时间长,致裂过程不同于传统炸药爆破,分为动态和准静态过程：应力波将气爆孔附近介质压碎形成粉碎区,在环向拉应力作用下粉碎区周围介质产生径向裂隙的动态过程,高压CO2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙继续扩展的准静态过程,得到了气爆后试件沿最大初始压应力方向开裂的规律。通过理论计算的方法分析了初应力作用下气爆过程中介质应力状态的变化规律,揭示了初应力影响裂纹起裂和扩展的机理：位于气爆孔最大初始压应力方向的介质产生初始环向压应力最小,在超临界CO2径向冲击产生的环向拉应力作用下首先发生开裂;位于气爆孔最小初始压应力方向介质中初始环向压应力最大,开裂所需的径向冲击压力增大,开裂滞后;垂直裂隙方向的应力抑制裂隙的张开而阻碍CO2气体的进入,同时增大了裂隙扩展所需的气楔压力,气楔作用效果大幅减弱,对裂隙扩展的阻碍作用显著。裂隙的扩展速度与扩展距离呈“S型”曲线关系,初始压应力越大,裂隙扩展相同距离降低的速度值越大,且压碎区和裂隙扩展范围逐渐减小。