深部岩体爆破开挖卸荷损伤演化机制及其数值模拟方法

论文摘要

高应力条件下地下隧道、洞室的岩石开挖工作面临着岩体卸荷变形与开裂损伤控制难题。钻爆开挖的爆破荷载以及因开挖而导致的新生自由面岩体应力动态卸荷（开挖动态卸荷）对岩体产生的动力扰动是地下工程灾害的重要诱因。因此探究深部岩体爆破开挖卸荷损伤演化机制是岩土与爆破工程中的重要课题。本文以深部岩体爆破开挖中岩体动力损伤为研究主线,采用理论分析、实验与数值模拟相结合的研究方法,主要完成了以下工作:基于一维波动方程,考虑等效粘性阻尼,描述了岩体动态卸荷的一维简化力学模型,依据该模型的解析结果分析了卸载波在岩体内部的传播规律,明确了当卸荷速率较高时,原本处于受压状态的岩体内部会产生反向的拉应力,并且卸荷路径、阻尼、传播距离等因素对卸载波有重要影响;依据爆破荷载与地应力动态卸荷耦合作用的简化荷载模型,分析了深部圆形隧道围岩的二次应力分布及其动态调整过程,并计算了围岩在二次应力场作用下的开裂损伤分布。开展了岩石爆破动态卸荷效应的室内实验研究,验证了理论分析结果;依据实验采集的动态应变信号,将爆破卸荷分为爆破加载、爆破荷载卸载、初始应力卸载三个主要阶段;基于实测数据分析了爆破卸荷过程中岩体应变率及应变能的衰减规律,明确了在一定范围内,三个阶段的应变率均在10-1s-1量级以上,属于高应变率。结合考虑高应力以及高应变率条件的岩石动态损伤本构模型,通过LS-DYNA的UMAT二次开发接口实现材料模型嵌入。基于新建的材料模型模拟了深部圆形隧道围岩损伤演化过程,明确了损伤深度随卸荷持续时间增加而减小并且最终趋于准静态卸荷引起的损伤深度的规律;在非均匀应力场下,压剪损伤区主要集中在地应力较小的方向,并且在一定条件下围岩上会产生径向或者环向张拉开裂损伤区。最后,引入新兴的近场动力学（Peridynamics,PD）方法,基于自编的数值计算程序,模拟了爆破及动态卸荷引起的深部岩体裂纹扩展过程以及围岩的开裂损伤分布,为相关领域的研究工作提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 高应力区岩体爆破开挖扰动荷载的特性
•     1.2.2 爆破开挖卸荷过程中的应变率及能量调整机制
•     1.2.3 岩石材料的强度准则及动态损伤本构模型
•     1.2.4 爆破开挖过程中岩体的损伤演化机制
•     1.2.5 爆破及岩土工程中的数值计算方法及工具
•   1.3 目前存在的问题和不足
•   1.4 本文研究内容及方法
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 研究方法
•     1.4.3 本文的创新点
• 第2章 深部岩体爆破开挖动态卸荷效应力学机制
•   2.1 高应力区岩体动态卸荷工程实例
•   2.2 高应力岩体爆破卸荷力学模型
•     2.2.1 一维模型动态卸荷动态应变求解
•     2.2.2 卸载波在岩杆中的传播过程
•     2.2.3 动态卸荷效应的影响因素
•     2.2.4 三维应力状态下的动态卸荷效应
•     2.2.5 一维卸荷力学模型的适用性验证
•   2.3 爆破荷载与动态卸荷的耦合作用机制
•     2.3.1 爆破荷载作用历程及其简化
•     2.3.2 爆破荷载与动态卸荷的等效耦合作用模型
•   2.4 爆破开挖过程中深部圆形隧道围岩应力场调整过程
•     2.4.1 深部圆形隧道围岩弹性分布的二次应力
•     2.4.2 爆破开挖卸荷引起的围岩动态应力场
•   2.5 深部圆形隧道围岩损伤演化机制
•     2.5.1 基于开裂强度因子的围岩损伤判据
•     2.5.2 围岩开裂损伤分布特征
•   2.6 理论模型适用范围
•   2.7 本章小结
• 第3章 岩石爆破动态卸荷效应实验研究
•   3.1 预压力岩杆轴向加、卸载实验平台
•   3.2 爆破卸载实验方案
•   3.3 岩杆动态应变信号分析
•   3.4 爆破卸荷过程中的应变率测试与分析
•   3.5 基于实验数据的岩杆爆破加、卸载应变率及应变能数值分析
•     3.5.1 岩体爆破加、卸载应变率特征
•     3.5.2 岩体爆破加、卸载应变能特征
•   3.6 本章小结
• 第4章 深部围岩爆破卸荷损伤效应有限元模拟
•   4.1 高应力及高应变率条件下岩石材料的动态损伤本构模型
•     4.1.1 基于HJC模型的岩石动态损伤本构模型建立
•     4.1.2 本构模型数值算法及LS-DYNA的 UMAT二次开发
•   4.2 有限元计算模型
•   4.3 围岩爆破卸荷损伤演化过程
•     4.3.1 侧压系数对围岩损伤演化的影响
•     4.3.2 卸荷持续时间对围岩损伤深度的影响
•     4.3.3 爆破荷载与地应力动态卸荷耦合作用下的损伤演化过程
•   4.4 本章小结
• 第5章 深部岩体爆破卸荷开裂损伤的近场动力学模拟
•   5.1 近场动力学理论
•     5.1.1 运动方程
•     5.1.2 近场动力学中的材料模型
•     5.1.3 数值计算方法
•   5.2 PD计算程序开发
•   5.3 程序可靠性验证
•     5.3.1 岩石三点弯曲实验的模拟
•     5.3.2 预压力岩杆动态卸荷的模拟
•   5.4 深部围岩爆破及动态卸荷引起开裂损伤的近场动力学模拟
•     5.4.1 爆炸应力波驱动下深部岩体的裂纹扩展过程
•     5.4.2 开挖动态卸载引起岩石裂纹扩展过程
•     5.4.3 动态卸载导致围岩开裂损伤分布
•   5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈洋

导师: 吴亮

关键词: 爆破,瞬态卸荷,围岩损伤,数值模拟,近场动力学

来源: 武汉科技大学

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: 武汉科技大学

分类号: TU45

总页数: 98

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