花岗岩动力学特性及循环爆破下损伤累积效应研究

论文摘要

花岗岩是一种分布广泛的岩石,它是由岩浆在地表以下凝却形成的火成岩,其力学强度、变形性能及损伤破坏机理与工程稳定和安全性等密切相关。在工程建设中,如硐室与巷道开挖,往往需要经历多次爆破的作用。因此,通过深入开展花岗岩的动力学特性和循环爆破试验研究,对判断和分析爆破损伤的范围和演化过程具有很大意义。本文所开展的研究工作及得出的结论主要有:首先,采用高压动三轴仪对不同应变率、不同围压下的试样进行动态压缩试验。结果表明:相同应变率下,随着围压的增大,岩石破坏模式由轴向劈裂转变为剪切破坏;相同围压下,随着应变率的增大岩石破碎程度加剧;花岗岩的抗压强度随应变率和围压的增大均呈增大趋势,但增长幅度在应变率超过10-33 s-1和围压大于60 MPa后逐渐减小。此外,对比分析中等应变率下经典莫尔-库伦强度准则及其2种改进形式的适用性,发现考虑平均主应力修正的莫尔-库伦准则对试验数据的吻合度较高,而直线型莫尔-库伦准则和抛物线型莫尔-库伦准则拟合误差较大。接着,对花岗岩试块进行了小型爆破试验,对多次爆破荷载下质点振动衰减规律与累积损伤演化机理进行了探析,并对不同装药量下花岗岩试块的裂纹扩展与断裂形态进行了比较。结果表明:萨道夫斯基公式对室内花岗岩试块的爆破振动衰减规律具有较好的适用性,可决系数都处于0.90以上;花岗岩的爆破损伤随着爆破次数的增加而增加,且损伤值随着与爆心距离（爆心距）的增加而降低,近区损伤值迅速降低,而中区和远区损伤值降低相对缓慢;花岗岩的破坏程度和装药量有较高的关联度,当药量较低时,岩块致裂所需要的爆破次数就越大,随着装药量的增加,试块爆后破裂的块数呈现增加趋势。最后,运用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA及其重启动技术,结合前人成果确定出适合于本文花岗岩的Holmquist-Johnson-Cook（HJC）参数,探讨了循环爆破作用下花岗岩的应力波衰减规律、岩石累积损伤效应、裂纹扩展及断裂情况。数值研究发现:重启动技术能够有效地实现花岗岩的循环爆破过程,完成岩体中的损伤的累积过程;采用渐变网格划分的方式,可以同时保证计算的精准和计算的效率;自定义的侵蚀准则能有效地获得岩石内部裂纹随爆破次数的扩展情况;振动速度随着爆心距的增加衰减速度较快,离爆源较远处,衰减速度缓慢,振动速度试验值低于模拟值约20%;损伤区域随着爆破次数的增加不断地扩大,损伤值的累积与爆破次数之间并不是线性关系。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 研究现状与文献综述
•     1.2.1 岩石动态力学特性研究现状
•     1.2.2 岩石强度准则研究现状
•     1.2.3 岩石爆破累积损伤及衰减规律研究现状
•     1.2.4 岩石数值模型研究
•   1.3 本文研究内容
• 第二章 试验原理与数值模拟方案
•   2.1 花岗岩动三轴试验
•     2.1.1 试样准备
•     2.1.2 试验设备
•     2.1.3 试验方法和原理简介
•   2.2 花岗岩循环爆破试验
•     2.2.1 试样准备
•     2.2.2 试验设备
•     2.2.3 试验方法与原理介绍
•   2.3 ANSYS/LS-DYNA程序介绍
•     2.3.1 LS-DYNA介绍
•     2.3.2 LS-DYNA爆炸模拟分析
•     2.3.3 LS-DYNA重启动技术
• 第三章 花岗岩动力学特性与强度准则分析
•   3.1 试样破坏形态的分析
•   3.2 基本力学特性分析
•     3.2.1 峰值强度的变化特征
•     3.2.2 峰值应变的变化特征
•     3.2.3 弹性模量的变化特征
•     3.2.4 泊松比的变化特征
•   3.3 莫尔-库伦准则比较
•     3.3.1 直线型莫尔-库伦准则
•     3.3.2 抛物线型莫尔-库伦准则
•     3.3.3 考虑平均主应力的莫尔-库伦准则
•   3.4 本章小结
• 第四章 花岗岩循环爆破累积损伤试验研究
•   4.1 岩石爆破损伤理论
•   4.2 振动衰减规律
•   4.3 损伤演化规律
•     4.3.1 A（2g）试块速度衰减规律
•     4.3.2 B（3g）试块速度衰减规律
•     4.3.3 C（4g）试块速度衰减规律
•     4.3.4 D（5g）试块速度衰减规律
•   4.4 爆生裂纹与断裂情况比较
•   4.5 本章小结
• 第五章 花岗岩循环爆破损伤演化数值模拟
•   5.1 数值计算模型
•     5.1.1 计算模型
•     5.1.2 网格划分
•   5.2 材料参数及关键字设定
•     5.2.1 材料参数
•     5.2.2 循环爆破的关键字设定
•   5.3 模拟结果分析
•     5.3.1 速度衰减规律
•     5.3.2 损伤演化规律
•     5.3.3 裂纹扩展及断裂形态
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 研究结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 钟靖涛

导师: 王志亮,仝其波

关键词: 花岗岩,应变率,强度准则,循环爆破,振动衰减,损伤破坏

来源: 合肥工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 合肥工业大学

基金: 国家自然科学基金项目51579062“多次爆破开挖中岩石动力学特性与累积损伤效应研究”

分类号: TU45

总页数: 84

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