地应力下节理岩体爆破损伤演化数值研究.pdf

工程爆破 E N G I N E E R I N GB L A S T I N G 2 0 2 3年8月第2 9卷第4期h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4文章编号:1 0 0 6-7 0 5 1(2 0 2 3)0 4-0 0 6 1-0 8收稿日期:2 0 2 2-1 1-3 0基金项目:山西省自然科学基金项目资助(2 0 2 1 0 3 0 2 1 2 3 1 2 4)作者简介:刘一帆(1 9 9 9-),男,在读硕士,从事岩石爆破方面的研究。E-m a i l:9 5 8 7 1 3 7 8 8q q.c o m通信作者:王 梅(1 9 7 0-),女,博士,副教授,从事岩土工程方面的研究。E-m a i l:1 9 6 7 5 2 3 9 3 8q q.c o m地应力下节理岩体爆破损伤演化数值研究刘一帆1,王 梅1,王晨龙2,袁 强1(1.太原理工大学矿业工程学院,太原0 3 0 0 2 4;2.太原理工大学机械与运载工程学院,太原0 3 0 0 2 4)摘 要:为研究地应力下的节理岩体爆破损伤演化机理,采用L S-D YNA软件建立节理岩体数值模型,讨论不同节理长度l对裂纹萌生和扩展的影响,并分析地应力的作用机理。结果表明:岩体中的节理会阻隔应力波的传播,竖向节理尖端会在爆炸作用下起裂,翼裂纹长度随竖向节理长度的增大呈现先增后减的趋势,这是临界起裂应力减小和应力波衰减共同作用导致的。竖向节理面后侧的水平节理的起裂主要是应力波的绕射作用造成的,并且其翼裂纹的长度随竖向节理长度的增大而减小。地应力所产生的环向压应力是抑制爆生裂纹扩展的主要原因,在各向异性地应力下裂纹主要沿最大主应力方向扩展。节理尖端翼裂纹的萌生和发展会受到地应力的抑制作用,且裂纹长度随着地应力的增大而减小,在高地应力条件下节理尖端未出现起裂现象。关键词:岩石爆破;数值模拟;节理岩体;损伤演化;地应力中图分类号:T D 2 3 5 文献标志码:A d o i:1 0.1 9 9 3 1/j.E B.2 0 2 2 0 0 4 8N u m e r i c a l s t u d yo nb l a s t i n gd a m a g e e v o l u t i o no f j o i n t e dr o c km a s su n d e r i n-s i t us t r e s sL I UY i-f a n1,WA N GM e i1,WA N GC h e n-l o n g2,Y U A NQ i a n g1(1.S c h o o lo fM i n i n gE n g i n e e r i n g,T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,T a i y u a n0 3 0 0 2 4,C h i n a;2.S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,T a i y u a n0 3 0 0 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:T os t u d yt h eb l a s t i n gd a m a g ee v o l u t i o n m e c h a n i s m o fj o i n t e dr o c k m a s su n d e ri n-s i t us t r e s s,t h eL S-D YNAs o f t w a r ew a su s e d t oe s t a b l i s h t h en u m e r i c a lm o d e l o f t h e j o i n t e dr o c km a s s.T h e i n f l u e n c eo f d i f f e r e n t j o i n t l e n g t h slo n t h ei n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o no fc r a c k sw a sd i s c u s s e d.T h ea c t i o nm e c h a n i s mo ft h ei n-s i t us t r e s sw a sa n a l y z e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h e j o i n t s i n t h e r o c km a s sw i l l b l o c kt h ep r o p a g a t i o no f s t r e s sw a v e s,t h e t i po f t h ev e r t i c a l j o i n tw i l l c r a c ku n d e rt h ea c t i o no f e x p l o s i o n,a n dt h e l e n g t ho f t h ew i n gc r a c kw i l l i n c r e a s e f i r s t a n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo f t h e l e n g t ho f t h ev e r t i c a l j o i n t,w h i c hi st h ec r i t i c a ls t a r t i n gp o i n t.I t i sc a u s e db yt h ec o m b i n e de f f e c to fc r a c ks t r e s sr e d u c t i o na n ds t r e s sw a v ea t t e n u a t i o n.T h ec r a c k i n i t i a t i o no f t h eh o r i z o n t a l j o i n tb e h i n dt h ev e r t i c a l j o i n t s u r f a c e i sm a i n l yc a u s e db yt h ed i f f r a c t i o no f t h es t r e s sw a v e,a n dt h e l e n g t ho f t h ew i n gc r a c kd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h ev e r t i c a l j o i n t l e n g t h.T h eh o o pc o m p r e s s i v es t r e s sg e n e r a t e db yt h ei n-s i t us t r e s si st h em a i nr e a s o nf o ri n h i b i t i n gt h ep r o p a g a t i o no ft h eb l a s t i n gc r a c k.U n d e rt h ea n i s o t r o p i ci n-s i t us t r e s s,t h ec r a c k m a i n l yp r o p a g a t e sa l o n gt h ed i r e c t i o no ft h e m a x i m u m p r i n c i p a ls t r e s s.T h e i n i t i a t i o na n dd e v e l o p m e n t o fw i n gc r a c k sa t t h e j o i n t t i pa r e i n h i b i t e db y t h e i n-s i t us t r e s s,a n d t h e c r a c k l e n g t hd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h e i n-s i t us t r e s s,a n dn oc r a c k i n go c c u r sa t t h e j o i n t t i pu n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g hi n-s i t us t r e s s.E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):6 1-6 8K e yw o r d s:r o c kb l a s t i n g;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;j o i n t e dr o c km a s s;d a m a g ee v o l u t i o n;i n-s i t us t r e s s 随着经济的快速发展,我国对于矿产资源的需求日益增高,因而矿产和能源资源的开采深度逐渐 增 加。钻 爆 法 是 目 前 岩 体 开 挖 的 主 要 手段1,而深部岩体往往赋存于高地应力条件下,实践表明地应力对爆破开挖过程有较大的影响。因此,研究岩石爆破损伤的围压效应具有深远意义。相比于爆破试验,数值模拟具有成本低和效率高等优点。随着计算机的高速发展,有限元软件L S-D YNA可以准确预测岩石的爆破过程,被广泛应用于动力学领域2。目前,已有不少学者开展了地应力作用下岩石爆破的数值研究。Y iCP等3基于单孔爆破模型对地应力效应进行了数值研究,结果表明岩石爆生裂纹优先沿最大主应力方向扩展;W a n gHC等4研究了循环爆炸荷载下岩石损伤演化的围压效应,发现高地应力对损伤演化具有抑制作用,工程实践中应适当优化布孔方式;X i eLX等5分析了地应力对深部岩体掏槽爆破过程的影响,并根据仿真结果提出了优化的爆破方案;杨建华等6讨论了高地应力作用下岩石孔间裂纹贯通过程,结果表明孔间裂纹贯穿受地应力的影响较大。另外,天然岩体往往含有节理等缺陷7,这些软弱面不仅会影响岩石的力学参数,而且会改变爆炸应力波的传播方式,进而对岩石爆破效果产生巨大影响8。已有许多学者针对节理岩体爆破过程开展了研究。黄佑鹏9基于节理岩体双孔爆破模拟结果,指出节理对爆炸波峰值应力有较大的削弱作用;Z h a oJJ等1 0讨论了节理与炮孔之间的距离对应力波透射系数的影响,结果表明在较小的间距下爆生裂纹能够传播至节理面另一侧;M aG W等1 1基于J H本构模型,研究了不同加载率对节理岩体爆破效果的影响;王洋洋1 2开展了充填节理岩体爆破数值研究,指出节理强度越低,则爆炸应力波受到的阻隔作用越强。目前,许多学者仅讨论了单节理面的影响,并且有关节理岩体爆破的围压效应研究有待进一步探索。基于上述研究现状,采用L S-D YNA软件对地应力下的节理爆破过程开展数值分析。首先,介绍了J H-2本构模型,并对本构参数进行了验证。然后,建立了节理岩体数值模型,并讨论了不同节理长度对爆破损伤演化的影响。最后,讨论了地应力对节理岩体爆破损伤的影响,并分析了其作用机理。1 材料本构模型及参数验证1.1 岩石本构模型J H-2本构可以准确描述岩石等脆性材料在动载荷作用下的力学行为1 3-1 4。该本构由状态方程、强度模型和损伤模型