岩石爆破研究背景及现状

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

随着我国经济的快速发展，一大批大型水利水电枢纽工程正在兴建[1]。这些工程项目的引水系统往往埋置于地下数百至上千米，围岩体长期赋存于高地应力环境，如锦屏二级水电站引水隧洞实测最大主应力为42MPa，而地应力反演预测隧洞轴线上的最大主应力可达72MPa[2]。在采矿工程和隧道工程中，钻爆法仍是一种主要的破岩方法。进行岩石爆破开挖时，一方面要使开挖部分的岩石达到合理有效的破碎，另一方面又要尽可能减少爆破对边界以外围岩的损伤或破坏，有效保护爆后保留岩石的稳定性。地应力对于爆破破岩效果影响显著，因此有必要对地应力作用下岩体的爆生裂纹演化机制与损伤累积效应开展研究。

目前主要有三种理论来分析岩石爆破过程：弹性破坏理论、动态断裂理论和连续损伤理论[3-6]。在弹性破坏理论中，岩石被假定为各向同性的弹性材料，其应力-应变关系遵循胡克定律。当应力超过其应力极限时，材料将会破坏。在动态断裂力学中，当裂纹尖端的应力超过岩石材料的断裂韧度时，材料就会起裂。另外，如果脆性岩石具有天然缺陷时，连续介质损伤力学也可以较好地描述岩石爆破损伤过程。在该理论中，材料失效是这些缺陷的发展和贯穿过程。

岩石在爆破荷载作用下表现的性质十分复杂，在实际的钻爆开挖中容易引发安全事故。埋入岩体中的炸药发生化学爆炸后，岩石将在爆破近区发生压剪破坏形成粉碎区，在爆破远区发生张拉破坏形成裂隙区。在此情况下，以实验及数值计算为主的研究被国内外有关人员广泛开展。已有许多学者开展了岩石爆破开挖的模型试验，并根据试验结果提出了确定爆破设计参数的经验公式。但岩石爆破试验往往是利用相似原理的小规模缩比试验，其研究结果难以真实而准确地反映大规模结构在爆破荷载作用下的动力响应，另外，爆破试验成本高，具有危险性，且试验开展难度也较大。随着现代计算机技术的飞速发展，成熟的有限元分析软件为爆破开挖提供了另一种分析途径，相比于爆破试验，采用数值模拟软件分析岩石爆破过程具有成本低、耗时短和安全性高等优点。

目前，有多种数值方法被广泛应用于岩石动力学研究，包括有限元法、离散元法、边界元法和相位法等。其中，非线性动力分析有限元软件LS-DYNA以其高效、准确等优点被广泛应用于爆破、冲击等领域。对于岩石爆破这类大变形问题，其中的ALE算法能有效避免因网格畸变而导致的计算难题。它结合了Lagrange算法与Euler算法的优点，可用于解决流体-固体耦合问题。LS-DYNA软件中常用的损伤本构模型有Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT)模型[7]和Holomquist-Johnson-Cook (HJC)模型[8]。为了使本构模型能够广泛应用于各领域的数值模拟，LS-DYNA软件可以为现有的本构模型定义新的失效准则，使得这些岩石本构模型可以准确描述爆破过程。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩石爆破研究现状

现代爆破理论认为，埋入无限岩体中的炸药发生化学爆炸后，将在岩体中形成以装药为中心由近及远的不同程度的破坏区域，依次为压碎区、裂隙区和弹性震动区[9]。炸药在岩体中爆炸瞬间将释放大量能量，爆炸冲击波产生的振动响应会影响岩体的完整性与工程安全[10]。夏祥等[11]根据核电站工程项目，结合米塞斯屈服准则分析了粉碎区和裂隙区的范围，结果表明岩体爆破粉碎区半径约为装药半径的6.5倍，裂隙区的半径约为装药半径的75倍。黄佑鹏等[12]对比分析了石灰岩、凝灰岩和花岗斑岩的爆破损伤分布规律，指出不同种类岩石的爆破损伤分布存在一定差异，但其损伤度均随爆心距的增大呈反“S”形曲线衰减。杨仁树等[13]利用动态焦散线光学实验系统探讨了预制水平静态裂纹和爆生运动裂纹受正入射爆炸动载作用后动态特性的变化规律，试验结果表明后爆孔爆炸应力波对先爆孔产生的水平定向运动裂纹尖端动力学特性影响显著。杨仁树等[14]基于有机玻璃材料，开展了爆炸应力波与爆生气体对被爆介质作用效应的研究。结果表明，爆炸应力波导致了粉碎区的形成，而爆生气体促进了裂隙区爆生裂纹的扩展。过江等[15]对比分析了不同炮孔耦合介质的岩石爆破效果，指出水介质具有良好的传爆性。

另外，已有多种数值方法被应用于岩石爆生裂纹的研究。Bendezu等[16]提出了一种基于有限元的数值方法来模拟爆破裂纹的扩展，并比较了三种不同方法的优劣，包括常规有限元法、扩展有限元法和单元删除法。结果表明使用常规有限元法很难直接实现对裂纹扩展的模拟，而单元删除方法可以解决这个问题。An等[17]将有限元和离散元进行耦合，进而研究了岩石的断裂机制。他们发现该方法在模拟爆炸载荷下岩石的动态断裂方面优于传统的连续介质和不连续介质方法。Lak等[18]推导出一系列与应变和应力场相关的公式，然后采用有限差分法进行爆破模拟。结果表明，数值模型与格林函数和现场数据能够很好地吻合。Rabczuk等[19]提出了一种在无网格方法中模拟离散裂纹的新方法。他们利用可见性方法来重现裂纹运动。该方法能够准确地拟合实验数据，并且不会表现出任意网格方向的偏差。Zhou等[20]在COMSOL软件中使用相场法模拟岩石的复杂裂缝模式。他们发现裂纹的萌生、扩展、合并和分支是自主的，并且相场法在建模时不需要定义额外的失效准则。

综合来看，前人已对岩石爆破领域开展了丰富的试验和数值研究。目前，信息化施工被广泛应用于实践中，并且“精细化爆破”的概念被越来越多的工程人员重视。为此，本文将对岩石动态本构模型及爆破损伤累积效应和围压效应展开深入研究。另外，LS-DYNA有限元软件兼具高效、准确和操作简便的优点，本文所做工作拟定以该软件为基础展开。

1.2.2 岩石本构模型研究现状

LS-DYNA有限元软件提供了大量的材料模型用于数值仿真[21]。目前，已有许多国内外学者基于不同的本构模型对岩石爆生裂纹演化规律开展了数值模拟研究。马波涛等[22]基于塑性随动模型模拟了岩石多孔起爆问题，分析了不同起爆方式对裂纹扩展的影响。李洪涛等[23]基于石英云母片岩塑性随动模型，统计并分析了压碎区与裂隙区的破碎程度和裂纹数量。Tao等[24]基于CSCM本构模型，采用单元删除的方法模拟了不同地应力下岩石爆生裂纹的扩展情况。Xie等[25]基于RHT本构模型研究了不同地应力下的岩石多孔爆破问题，发掘了多孔爆破的裂纹贯穿机理。李斌等[26]基于JH-2本构模型模拟了铁矿石扇形孔爆破问题，根据爆生裂纹的分布特征提出了改善爆破质量的方案；霍晓锋等[27]基于HJC本构模型，统计了铜矿岩单孔爆破时爆生裂纹的体积，提出了合理的爆破参数。Jayasinghe等[28]使用 RHT模型模拟了地应力下的爆破问题。他们讨论了二维和三维模拟之间的差异，发现三维分析获得的岩石破碎程度相对较大。Wang等[29]采用HJC模型研究了爆炸荷载作用下完整岩体和节理岩体的损伤演化及空间分布。结果表明爆破损伤优先向钻孔轴线方向发展。Yi等[30]基于RHT模型模拟了爆破裂纹的扩展，指出损伤趋向于高应力方向演化。综合上述研究现状可以看出，多种本构模型均能描述岩石爆破过程。然而，每种本构均有其优劣，这也导致了每种本构在数值模拟时的适用条件有所差异。比如，HJC模型无法准确描述材料在动荷载下的拉伸破坏行为[31-33]。目前，针对不同本构模型对岩石爆生裂纹模拟结果影响的研究较少，并且缺乏对其适用性的讨论，因此有必要对相关内容开展研究。

1.2.3 爆破损伤围压效应研究现状

钻爆法是目前深部岩体开挖的主要手段，而高地应力对于爆破破岩效果影响显著。目前，已有不少国内外学者针对地应力作用下爆破开挖过程开展了数值模拟研究。杨建华等[34]基于FEM-SPH耦合算法研究了高地应力条件下炮孔间裂纹贯通过程，结果表明环向拉应力是引起岩体开裂的主要原因。白羽等[35]建立了双孔爆破数值模型，分析了埋深和侧压力系数对裂纹演化规律的影响。Donzé等[36]通过数值模拟研究发现地应力改变了裂纹发展的方向，不同地应力水平对裂纹起到不同程度的抑制作用。魏晨慧等[37]建立了不同节理倾角的岩石双孔爆破数值模型，发现初始应力场不利于孔间裂纹的贯通，但节理对裂纹扩展具有明显的导向和促进作用。然而，这些先前的研究主要集中在二维数值模型上，此时只有P波从炮孔入射，S波则由于平面应变问题的简化而被忽略。而三维模型可以考虑装药长度，从而在岩石中产生更大的压应力和拉应力。另外，由于自由面反射作用的影响，二维模拟结果并不能完全真实地反映岩体爆破损伤演化规律。虽然张西良等[38, 39]基于三维数值模型研究了地应力的作用机理，但其仅仅讨论了药包附近损伤区范围的变化规律，未能模拟出拉伸裂纹的扩展情况。

实践表明爆破动载荷导致地下工程岩体宏观失效的过程往往不是由某一次爆破作业造成的，而是多次爆破累积作用的结果。在各种实际工程中均涉及到岩体在频繁冲击扰动作用下的破坏[40]。比如岩石隧道和边坡的爆破开挖，往往是由于多个炮孔的重复爆破而引起的[41]。Hu等[42]基于有限元代码LS-DYNA进行了累积爆破损伤的数值模拟。结果表明，岩质边坡的破坏是主爆孔、缓冲孔和光面孔重复爆破产生的累积损伤的结果。Liu等[43]使用有限元软件模拟了井筒掘进爆破。结果表明，掏槽孔的重复引爆会对预留岩体造成破坏，而预裂爆破技术可以最大限度地减少围岩损伤并避免超挖现象的出现。李允忠等[44]和陈亚楠[45]开展了循环爆破荷载对岩体产生扰动的研究，但并未考虑地应力的影响。