层状复合岩体爆破损伤断裂机理及工程应用研究

【摘要】： 岩石爆破损伤断裂过程是一个复杂的动态演化过程。该过程由于炸药爆炸后生成的高温、高压气体产物和岩石动态本构关系的复杂性，炸药与岩石之间相互作用的复杂性，以及岩石本身的非均质性和各向异性等使得岩石爆破机理的研究显得十分复杂和困难。爆炸对岩石的损伤断裂作用包含有爆炸应力波和爆生气体作用两个阶段。本文基于前人的研究成果，采用岩体损伤、断裂理论的最新研究成果，研究了岩石和层状复合岩体在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理。论文主要内容和取得的成果如下： （1）根据断裂力学和损伤力学理论，分析了岩石损伤断裂机理，提出了岩石的损伤断裂准则；以层状复合岩体损伤破坏理论为基础，建立了层状复合岩体损伤本构方程及其破坏断裂准则。 （2）在分析现有岩石爆破损伤模型和岩石爆破损伤断裂理论的基础上，建立了新的岩石爆破损伤模型。 （3）推导了爆炸应力波在层状复合岩体中反射和透射的规律，并根据岩体的损伤本构关系，建立了层状复合岩体爆破损伤本构关系，得出了岩体损伤是由爆炸应力波及爆生气体共同作用的结论。 （4）运用超动态应变测试技术、超声波检测仪对层状复合岩体的爆破损伤破坏机理和破坏过程进行了实验研究。分析了层状复合岩体中的爆炸应力波的传播规律和爆破前后岩体损伤状况，并研究了层状复合岩体中预裂爆破和台阶爆破技术的装药方式和装填结构对爆破效果的影响。 （5） 将建立的岩石爆破损伤本构模型和层状复合岩体本构模型嵌入DYNA-2D程序框架，对岩体的损伤破坏过程进行了数值模拟，其结果验证了理论模型的正确性和合理性。 （6）把层状复合岩体爆破损伤的研究成果运用到路堑边坡爆破开挖工程实践中，优化了爆破设计方案，取得了较好的经济、安全和社会效益。