爆生氣體作用下巖石裂紋的力學行為及擴展模型研究

在隧道等地下工程爆破施工中，超欠挖現(xiàn)象嚴重影響隧道施工期安全。通過對大量隧道超欠挖現(xiàn)象的現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當周邊孔附近出現(xiàn)傾斜節(jié)理時，隧道超欠挖現(xiàn)象尤為明顯。如何獲得爆生氣體作用下巖石裂紋的擴展方向和長度，及其與既有裂隙的貫通形式與交互作用，是提高隧道光面爆破技術(shù)水平的核心問題。為解決這一問題，本項目采取試驗研究、理論分析與現(xiàn)場驗證相結(jié)合的手段，重點研究爆生氣體作用下巖石裂紋的力學行為及其擴展模型。首先，基于爆炸力學理論，揭示了爆生氣體的流動特性，并獲得了作用于巖石裂紋上的爆生氣體爆轟壓力及膨脹壓力隨時間的變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，基于線彈性斷裂力學理論，推導了爆生氣體作用下巖石裂紋尖端應(yīng)力場、位移場及應(yīng)力強度因子的演化規(guī)律；同時基于格里菲斯破壞判據(jù)，建立了爆生氣體作用下巖石裂紋的擴展及止裂準則。另一方面，進行含有傾斜預(yù)制裂隙的雙炮孔爆破動焦散線試驗，采用高速攝影手段，通過各時刻爆生裂紋尖端焦散斑運動規(guī)律，獲得了裂紋擴展速度、加速度及爆生裂紋尖端應(yīng)力強度因子的變化規(guī)律，同時揭示了爆生裂紋與預(yù)制裂隙的交互作用規(guī)律，獲取了不同節(jié)理產(chǎn)狀及位置時試件的最終破裂形態(tài)，并推導了裂紋最終長度及擴展方向的解析解；最終，通過現(xiàn)場調(diào)研，獲取了不同節(jié)理條件下的隧道爆破效果，結(jié)合節(jié)理巖體隧道爆破的力學作用，建立相應(yīng)的力學模型，獲得了節(jié)理對爆破巖體強度、波阻抗及彈性性質(zhì)的影響規(guī)律；基于波動力學理論，推導了單條及多條節(jié)理對爆炸應(yīng)力波的阻隔作用及其衰減規(guī)律，揭示了節(jié)理產(chǎn)狀對隧道爆破成型效果的影響，建立了爆破作用下巖體破壞模型。本項目的研究，可為豐富和發(fā)展巖石爆破理論，提高隧道光面爆破技術(shù)水平，提供理論依據(jù)與技術(shù)支持，對解決隧道等地下工程爆破中的超欠挖問題有重要的價值。 2100433B

在隧道等地下工程爆破施工中，超欠挖現(xiàn)象嚴重影響隧道施工期安全。如何獲得爆生氣體作用下巖石裂紋的擴展方向和長度，及其與既有裂隙的貫通形式與交互作用，是提高隧道光面爆破技術(shù)水平的核心問題。本項目以爆炸力學及線彈性斷裂力學為理論基礎(chǔ)，采取實驗研究、理論分析與現(xiàn)場實際驗證相結(jié)合的手段，重點研究爆生氣體作用下巖石裂紋的力學行為及其擴展模型。首先，基于爆炸力學理論，獲得爆生氣體膨脹壓力隨時間變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上采用線彈性斷裂力學方法，建立爆生氣體作用下巖石裂紋的擴展及止裂準則，計算裂紋的最終長度；通過爆生氣體作用下巖石裂紋形態(tài)特征實驗，研究爆生裂紋的長度、方向等形態(tài)特征及其與既有裂隙的交互作用；建立基于解析計算與室內(nèi)實驗的爆生氣體作用下巖石裂紋擴展模型。本項目的研究，可為豐富和發(fā)展巖石爆破理論，提高隧道光面爆破技術(shù)水平，提供理論依據(jù)與技術(shù)支持，對解決隧道等地下工程爆破中的超欠挖問題有重要的價值。

巖石是經(jīng)過漫長地質(zhì)作用形成的各種礦物的天然集合體，具有明顯的非均質(zhì)性和各向異性特性。而巖土工程失穩(wěn)表現(xiàn)為典型的時效漸進破壞過程，探討非均勻性巖石亞臨界裂紋擴展速度效應(yīng)勢在必行。本項目以試驗為基礎(chǔ)，研究非均勻性巖石在不同載荷條件下裂紋擴展的機制，揭示巖石裂紋擴展過程中內(nèi)部缺陷動態(tài)演化過程及演化機理，建立巖石的裂紋擴展與宏觀破壞之間的關(guān)系；試驗研究非均勻性巖石不同應(yīng)力狀態(tài)亞臨界裂紋擴展規(guī)律，獲得相應(yīng)的亞臨界裂紋擴展時間相關(guān)參數(shù)；建立非均勻性巖石裂紋亞臨界擴展速率方程，確立裂紋擴展優(yōu)勢方向，建立裂紋亞臨界擴展速度與活化能、斷口形貌及破壞模式之間的定量關(guān)系；探討時間相關(guān)性巖土工程穩(wěn)定性與其力學性能弱化之間的規(guī)律，預(yù)測裂紋穩(wěn)定擴展的極限時間；數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)在不同條件下的應(yīng)力和變形及非均勻性巖石裂紋穩(wěn)定擴展規(guī)律；將研究成果應(yīng)用于實際工程，檢驗其有效性。

工程巖體似斷非斷，似連非連，呈現(xiàn)斷續(xù)結(jié)構(gòu)特征，且多處于三向復(fù)雜狀態(tài)下，因而研究復(fù)雜狀態(tài)下斷續(xù)預(yù)制裂紋巖石三軸流變力學特性，對于確保節(jié)理裂隙巖體工程長期穩(wěn)定與安全具有重要的理論意義和實用價值。本項目擬以錦屏一級水電站巖石高邊坡工程和向家壩水電站大型地下洞室群巖石工程長期穩(wěn)定與安全性為研究目標，采用巖石全自動三軸流變伺服儀，對斷續(xù)預(yù)制裂紋巖石在復(fù)雜狀態(tài)下進行三軸流變試驗，研究不同圍壓及不同應(yīng)力路徑下斷續(xù)預(yù)制裂紋巖石的蠕變和松弛力學特性，探討預(yù)制裂紋參數(shù)、圍壓以及應(yīng)力路徑對巖石流變力學參數(shù)的影響。在分析復(fù)雜狀態(tài)下斷續(xù)預(yù)制裂紋巖石三軸流變宏微觀試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用細觀力學理論，建立巖石非線性流變模型。最后將流變力學參數(shù)及非線性流變模型的研究成果應(yīng)用于巖石工程實踐中，預(yù)測復(fù)雜狀態(tài)下巖石工程長期穩(wěn)定與安全性。本研究成果對于促進在長期復(fù)雜狀態(tài)下巖石工程失穩(wěn)破壞的預(yù)測研究具有重要的理論指導意義。 2100433B