硕士论文-隧道岩石爆破理论研究与数值模拟.pdf

西南交通大学硕士学位论文隧道岩石爆破理论研究与数值模拟姓名：王庆国申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程指导教师：杨其新20080501A b s t r a c tW i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y,r o c kb l a s t i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do fs l o p ee x c a v a t i o n，t u n n e ld r i v i n ga n dm i n e r a le x p l o i t a t i o n，h o wt or e d u c et h ea m o u n to fe x p l o s i v ea n dr o c kd a m a g ea n db l a s te f f e c t i v e l yh a v eb e c o m et h eu r g e n tp r o g r a m B yu s i n gL S D Y N Af i n i t ee l e m e n tp r o g r a m s i n g l ec o l u m nc h a r g eb l a s t i n ga n db l a s t i n gv i b r a t i o no ft u n n e le x c a v a t i o na r es i m u l a t e dn u m e r i c a l l ya n dt h er u l e so nb l a s t i n go fe x p l o s i v ei nt h er o c ka r es t u d i e d yd e e p l yi nt h i sp a p e r T h ec o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ec o n c l u d e da sf o l l o w s：1 T h em e c h a n i s mo fr o c kb l a s t i n gi Sp e r f o r m e d S t a r t e dw i t ht h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo f r o c kb l a s t i n gm o d e l，as y s t e m a t i cd i s c u s s i o no ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe l a s t i cm o d e l，f r a c t u r em o d e l，d a m a g em o d e la n df r a c t a ld a m a g em o d e li Sg i v e na n ds o m et h e o r e t i c a lf o r m u l a sa r ed e r i v e d B l a s t i n gb r o k i n gm e c h a n i s mo f r o c ki Sd i s c u s s s e da n di t sp r o x i m a ld e v e l o p m e n t i Si n t r o d u c e d O nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u sr e s e a r c h e s，t h et h e o r yo fr o c kf r a g m e n t a t i o nb yb l a s t i n go fc o n t i n u o u sc h a r g ea n da l lk i n d s o fd e c o u p l i n gc h a r g ei ss t u d i e da n dd i f f e r e n ti n i t i a t i o nm o d e so fc o n t i n u o u sc h a r g es t r u c t u r ea r er e s e a r c h e do nt h e o r e t i c a ll y 2 C a l c u l a t i o np r i n c i p l eo fd y n a m i cf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mL S D Y N Ai Ss t u d i e d C o n t r o le q u a t i o n，t i m ei n t e g r a l，g a u s s i a ns i n g l ep o i n ti n t e g r a l，h o u r g l a s sc o n t r o l，s t r e s sc a l c u l a t i o n a r t i f i c i a lb u l kv i s c o s i t y,t i m e s t e pc o n t r o la n dn o n r e f l e c t i n gb o u n d a r ye t co fL S D Y N Ai nt h e o r ya n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o no fr o c km o d e l y i e l dc r i t e r i o na n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lo fe x p l o s i v ea r ei n t r o d u c e d T h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et h r e em e t h o do fL a g r a n g eE l u e ra n dA L Ea r ed i s c u s s e d w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es u b s e q u e n tw o r ki nt h ed i s s e r t a t i o n 3 T h r o u 曲t h es o f t w a r eo fL S D Y N A，s i n g l ec o l u m nc h a r g eb l a s t i n gp r o c e s su n d e rd e c o u p l i n ga n de x p l o s i o ni nd o w n w a r da n du p w a r dc o n d i t i o n si Ss i m u l a t e d t h ec h a n g ep r o c e s so fp r e s s u r e，h o f i z o n t a lv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o ni nr o c kb yb l a s t i n gi ss t u d i e d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e d w h i c hv e r i f y t h et h e o r ya n dp r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nr o c kb l a s t i n g 4 A sf o rb l a s t i n gv i b r a t i o n，t h ee f f e c tf r o mb l a s t i n ge x c a v a t i o no fY u n d i n gt u n n e lo ns u r r o u n d i n gr o c ka r es i m u l a t e dn u m e r i c a l l y,s o m er u l e sa r ec o n c l u d e d Ac o m l a r a t i v ea n a l y s i sa m o n gt h ed i f f e r e n tl e n g t ho fe x p l o s i v ed y n a m i t ec o l u m n m i l l i s e c o n dd e l a yi n t e r v a la n dd i r e c t i o no fi n i t i a t i o ni Sd o n e t h eo p t i m u mp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d T h ei n t e r a c t i o no fp a r a l l e lt u n n e lb l a s t i n ga r es i m u l a t e da n da n a l y z e d，s o m ec o n l u s i o n sa r er e c e i v e d T h e s et h i n g sg i v er e f e r e n c ef o re n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n K e y w o r d s：R o c kb l a s t i n g；D e c o u p l i n gc h a r g e；B l a s t i n gv i b r a t i o n；T u n n e l西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学术论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 保密口，在年解密后适用本授权书：2 不保密饧，适用本授权书。学位论文作者签名：_ 应目指导教学位论文作者签名：咖镟f 强指导教日期)退否，6日期广西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：1 隧道开挖自由面的存在对爆破振动的影响非常大。全断面爆破开挖时，对隧道上部岩体同一高度不同位置而言，药柱正上方是最危险的区域；对药柱左上部同一水平位置不同高度而言，由于自由面对地震波反射的影响，比较紊乱；对药柱正上部同一水平位置不同高度而言，高程越大，影响越小；对药柱右上部同一水平位置不同高度而言，随着高程的增大，影响先增大后减小。2 平行隧道的相互影响主要是震动波的作用，迎爆侧的位移和速度比较大，而背爆侧很小。对于直墙式隧道，迎爆侧直墙起拱线处是最危险的区域；对于曲墙式隧道，迎爆侧拱腰处是最危险的区域。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页第1 章绪论爆破技术的发展越来越快，其应用范围也越来越广泛。爆破技术在各个新领域的应用，使得我们又面临着新的研究课题。与此同时，由于爆破过程是一个高温、高压、高速的工程，其作用机理十分复杂，爆破冲击波、应力波和地震波的传播介质又是复杂多变的，这就使得爆破技术的成熟和完善变得十分困难。1 1 选题依据及研究意义隧道和地下工程在国民经济建设中有着重要的作用。无论是铁道、交通、水利、水电、矿山等均少不了它。随着国家建设事业的迅速发展，隧道工程建设越来越需要解决多快好省的问题。为此，除配备先进的机械设备外，还要解决隧道现代爆破技术问题。爆破开挖是建设隧道的第一道工序，它的成败与好坏直接影响到围岩的稳定，以及后续工序的正常进行和施工速度，因此，隧道爆破是隧道建设的非常重要的组成邵分。目前，对一般岩石隧道而言，除用传统的矿山法爆破开挖外，隧道掘进机也在许多国家获得应用。但是，就已有的大多数工程实践来看，隧道掘进机也和一切事物一样，并非尽善尽美，到处适用。而且，由于掘进机在坚硬岩石中开挖隧道时效率不高，以及它固有的设备投资巨大，动力消耗量大，部件大而笨重，运输组装困难等问题，加上硬质合金刀具、开挖方向的控制等技术上的困难等问题一直未完全解决。因此，经过综合分析，大多数人都不认为掘进机会完全取代矿山法而用于隧道掘进。现在，可以说在可预见的年代里，钻爆法仍将是隧道掘进的主要手段。虽然我困也在引进掘进机，但是根据我国的国情，钻爆法与掘进机在相当长的时间里将同时并举。而且，在岩石隧道掘进机及高压射水等新的岩石开挖技术进一步发展的同时，隧道爆破技术也会随着岩石爆破技术的进步而不断改进。钻爆法由于对地质条件适应性强，开挖成本低。因而特别在坚硬岩石隧道、破碎岩石隧道掘进中及大量的短隧道施工中，即使将来掘进机在技术上更完善了以后，也仍会是主要的施工方法。在岩石的钻爆开挖过程中，由于爆炸应力波的作用，在开挖完毕后，开挖轮廓线外岩体表层存在一爆破影响区。在该区内，由于许多新生或被再次扩展的微裂纹、微裂隙的存在，导致了该区内岩石力学参数的劣化，该劣化主要表现在弹模、声波速度、岩石强度等参数的降低，同时因孔隙率的增大而导致岩石渗透性的增大等。这种岩石力学参数的劣化，给岩体及其岩体建筑物的安全运行留下了隐患。岩石开挖过程中的爆破控制是岩石工程中的关键技术问题，涉及到岩石力学、工程爆破、爆炸力学及损伤力学等多个科学领域，它对岩体的爆破设计理论及岩石稳定性分析方法的建立方面具有重要的指导意义；同时对我国近年众西南交通大学硕士研究生学位诠文一篁!页多高坝枢纽，铁道及交通的建设以及国内外开采深度与规模日益加大的大型矿山的安全生产具有显著的工程应用价值和良好的社会经济效益，其研究成果广泛引用于水利水电、采矿、铁道和交通等部f-J 年u 行业。为提高钻爆法开挖隧道的掘进速度，提高爆破质量，降低造价，有必要对隧道岩石爆破技术进行研究。1 2 国内外研究历史及现状由于爆破过程的复杂性，加之现有的实验条件和测试手段的限制，目前在实验室或现场难以对复杂的爆破现象进行详细的观测，限制了对爆破机理的深入研究。利用现代计算机技术，可以再现爆破过程，模拟各种变量之间的关系，获得最优的爆破参数和最佳爆破工艺，进行最佳爆破设计，是目前较为热门的课题，并已经取得一定的成效。例如，美国L G M a r g o l i n 和T E A d a m e s 等人建立的B C M 模型，可以对岩石中爆炸应力波传播、岩石破碎过程进行计算机模拟：建立在此基础上的S H A V E 法能较好地模拟岩石的破坏、爆破漏斗的形成过程等；澳大利亚的S V a l i a p p a n 和I D L e e 等人编写的有限元计算程序可用于研究爆破所引起的岩石破坏问题的详细情况；瑞典P J D i g b y 采用二维有限单元(W A V E 程序)研究脆性岩石在快速加载条件下各种平面应力问题的瞬态发展过程和与时间有关的各种应力分布情况、模拟在脆性岩石中爆破引起的振动、破坏和破碎；南非C M L l w n d s 设计的F R A C 计算机模型，将岩石破碎与岩石一级断裂联系起来，可以正确地预估破碎块度大小与炸药单耗关系，迅速得出相应的计算公式；由美国能源部和M o r g a n t o w n 能源中一1 1,赞助的S R J 计划，用计算机来模拟岩石破坏以及岩石性质变化对其渗透性的影响：刘殿书将改进的T C K 模型运用到S H A L E 程序中，进行了数值模拟；金乾坤对脆性岩石的冲击损伤进行了研究，建立了脆性岩石冲击损伤模型，运用到L S D Y N A 程序中，对岩石爆破问题进行了模拟：南京工程兵工程学院用计算机仿真技术模拟了框架结构和高耸薄壁结构在爆后的倒塌运动过程。随着计算机技术的迅猛发展和各种力学计算方法的广泛应用，对岩体爆破过程的模拟己经成为可能。1 3 本文的主要研究内容本文结合理论分析和数值模拟，在分析岩石爆破机理的基础上，研究了不同条件下岩石单孔爆破情况，并对隧道的爆破情况做了一些探索性研究。由于岩土介质的复杂性，很多问题的研究还处于初始阶段，需要从理论和实践上做进一步的探讨和验证。以下是本论文的主要研究内容：1 研究了岩石爆破作用机理。从岩石爆破模型的发展历史入手，系统讨论了弹性模型、断裂模型、损伤模型和分形损伤模型的优缺点，并对一些理论公式进行了推导；探讨了岩石爆破破碎机理，综合各种理论，并对其最近发展作西南交通大学硕士研究生学位论文第!页了介绍；在前人研究成果的基础上，研究了岩石连续和各种不祸合装药爆破破岩理论，对连续装药结构的不同起爆方式进行了理论研究。2 研究了动力有限元程序L S D Y N A 的计算原理。从理论方面，介绍了L S-D Y N A 的控制方程、时间积分、高斯单点积分和沙漏控制、应力计算、人工体积粘性控制、时间步长控制和无反射边界等，并介绍了数值模拟要用到的岩石模型的本构关系、屈服准则和炸药的数值计算模型，讨论了L a g r a n g e、E u l e r和A L E 三种算法的区别，为本文的后续工作打下基础。3 利用L S-D Y N A 软件，对不耦合和正反向起爆各种条件下岩石单孔爆破过程进行数值模拟，研究爆破时岩体中压力、位移和速度的变化过程，并将各种作用情况进行比较，验证理论的正确性，推动了计算机模拟在岩石爆破中的应用。4 从爆破振动方面，对云顶隧道的爆破开挖对围岩的影响进行了数值模拟，得出一些规律，对不同炸药药柱长度、微差时间和起爆方向，进行了对比分析，得出最优参数，并对并行隧道爆破的相互影响也做了数值分析，得出一些结论，为工程施工提供参考。西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页第2 章岩石爆破理论分析岩石爆破的破碎效应是影响交通土建、水利、矿山等工程效益的重要指标，它影响到生产过程中的铲装、运输和粗碎等工序的效率和成本，也影响到道路、堤坝等基础工程的渗透性、沉降性和稳定性。因此，岩石爆破理论的研究一直是岩石动力学和岩石爆破研究领域的一个热点问题，研究并揭示爆破作用下岩石破碎机理对促进爆破理论和相关技术的发展、提高工程质量和效益具有十分重要的理论和实际意义。对于这部分内容的研究，研究者们做了大量的工作，并不断有新的突破。2 1 岩石爆破的本构模型当前的相关研究主要在两方面展开，一是追求普遍适用于各种爆破计算和分析、旨在建立相关计算模型的理论研究；一是结合一定工程实践，适用于一定范围的具体工程设计和参数优化的实验研究。在理论研究方面，从岩石破碎研究的发展历程来看，可将其分为弹性理论阶段、断裂理论阶段、损伤理论阶段和分形损伤理论4 个阶段。2 1 1 弹性理论阶段弹性力学模型将岩石视为各向同性的均质、连续的弹性体，岩石在爆炸荷载下的破坏是因其内部最大应力超过岩石应力极限引起的。在破碎之前，岩石处于弹性状态。这种理论以弹性力学及有限元方法为基础，运用现代计算机技术可方便的简化工程问题、建立力学模型并加以分析计算。由于这种理论模型不考虑岩石的材料缺陷，其理论基础与实际情况有一定的差距。具有代表性的有H a r r i e s 模型和F a v r e a u 模型。M a r r i e s 模型是建立在弹性应变波基础上的高度简化的准静态模型：F a v r e a u 模型是建立在爆炸应力波理论基础上的三维弹性模型，该模型充分考虑了压缩应力波、自由面上产生的反射拉伸波和爆生气体膨胀压力的联合作用效果，以岩石动态抗拉强度作为破坏判据。2 1 2 断裂理论阶段随着断裂力学的发展和岩石断裂理论研究的深入，岩石中裂纹扩展及断裂破坏问题也被引入了爆破理论研究领域。断裂理论模型中具有代表性的有B C M模型和N A G F R A G 模型。B C M 模犁也称层状裂缝岩石爆破模犁，是美国能源部组织研究的用于二维西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页有限差分应力波计算程序S H A L E 中的岩石爆破模型。该模型是建立在G r i f f i t h裂缝传播理论基础上的，该理论认为岩石中存在的微缺陷可以看作均匀分布的扁平状裂隙。N A G F R A G 模型以应力波使岩石中原有裂纹激活而形成裂缝为主，同时也考虑了爆生气体压力引起的裂缝进一步扩展。该模型认为爆破作用下岩石破坏范围及破坏程度取决于受应力波作用而激活的裂纹的数量和裂纹扩展速度。使用裂纹扩展临界应力作为裂纹的开裂判据：F仃。=K 卜尺(2 1)9Y 珥式中，仃。为裂纹扩展临界应力：尺为I 临界半径；K，为断裂韧性。该模型使用一维爆炸波传播程序P U F F 实现对爆破过程的模拟。虽然弹性力学模型和断裂力学模型在实际模拟中均有应用，但都存在着显而易见的问题。断裂力学模型认为岩石中的裂纹扩展及断裂破坏是影响岩石爆破破碎效果的主要因素。与弹性模型不同的是该类模型将岩石视为含有微裂纹的脆性材料，岩石的破化过程就是其内部裂纹产生、扩展和断裂的过程。但断裂力学模型仍将裂纹周围看作是均匀的连续介质，因而其仅适用于宏观裂纹形成之后的断裂阶段，对材料开始劣化到宏观裂纹形成之间的力学行为和物理过程并未进行分析描述，其适用范围只限于宏观裂纹已形成的有层理或沉积类岩石。要全面考虑岩石中存在的大量随机分布微裂纹及其对爆破作用的影响，损伤力学就显示出了更大的优越性。2 1 3 损伤理论阶段8 0 年代初，美国S a n d i a 国家实验室开始开展岩石爆破损伤模型的研究。1 9 8 0年，K i p p 和G r a d 提出了最初的损伤模型，该理论认为，原岩中存在大量随机分布的原始裂纹，但在爆破作用下激活的裂纹数服从指数分布，并引入损伤参量D表示这些裂纹开裂引起的岩石强度的降低。由于该模型所需要的一些岩石参数不容易测定，使其应用受到限制。1 9 8 5 年，C h e n 和T a y l o r 将损伤材料的裂纹密度与有效体积模量、有效泊松比关系引入损伤模型，明确了损伤参量D 与以上各参数的关系；在以上研究的基础上，J S K u s z m a u l 在1 9 8 7 年提出了新的岩石爆破损伤本构模型(T C K 模型1，T C K 模型认为，由于岩石的抗压强度远高于其抗拉强度，在动载荷作用下岩石破坏的本构模型可分为两部分，当岩石处于压缩状态时，属于弹塑性材料，当岩石处于拉伸状态时，发生脆性断裂。T C K 模西南交通大学硕士研究生学位论文一箜鱼亟型在裂纹激化率和裂纹平均尺寸方面保持了K i p p 和G r a d y 公式，在损伤参量D与裂纹密度及有效泊松比等参数的关系处理上采取了C h e n 和T a y l o r 公式，最后以D 代表岩石的初始损伤程度，并将D 引入岩石拉伸应力应变关系式中。我国对损伤断裂的研究起步较晚，直到8 0 年代末才开始研究以T C K 模型为基础的损伤模型。9 0 年代，谢和平等将分形几何的概念引入岩石的动态特性研究中，使爆破理论模型的研究又向前迈进了一步。目前，国内外在有关爆破理论的研究中都以损伤模型和分形损伤模型为主。损伤力学的发展及其在岩石力学中的应用，使我们可以用连续介质的方法，唯像地确定岩石材料损伤演化的动态本构关系。国内外有关研究表明，新近发展起来的岩石爆破损伤模型的本构关系较能客观反映岩石爆破过程。目前，在实际研究中应用较多的主要是T C K(T a y l o r-C h e n K u s z m a u l，1 9 8 7)的损伤模型，或在此基础上发展起来的损伤模型。T C K 模型有多种不同的表达形式，本文讨论根据连续介质的唯象法建立的岩石动态损伤模型本构关系：等=3 K(1 一。)五d E 一3 K(占一已)百d D(2-2)一d S：2，坐+2 P 丝(2 3)盟d t=者1 鲁鱼d t 一竺2(鲁1V 字塑(2 _ 4)(+屹)2+e)d t卜V鱼d t=型2f 忐p c 心d t(2-5)k l、。百d D 一1 7 6 v y 8E f(v e)一(V 一匕)五(屹)鲁(2-6)式中，尸为体积应力；S 为应力偏量，e 为应变偏量；以为剪切模量；C d 为岩石的裂纹密度；K，m 为常数，是W e i b u l l 分布指数；K P，C 分别为损伤材料的断裂韧性、岩石的密度和声速；D 为损伤参量；K 为有效体积模量；占为体积应变；白为扩容应变；匕为有效泊松比，由下式确定：屹训x p(一萼白(2-7)q 与和占有如下关系：西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页c d=皿(占一白)”口3(2-8)式中，y 为比例系数；a 为平均裂纹长度；1，为岩石泊松比；Z(屹)、厶(屹)是屹函数。1 一，2Z(屹)=i l _(2-9)l 一二匕正(匕)：掣(2 1 0)l 一二J有效体积模量与体积模量K 有下述关系成立：K=卜(v)州咖x p 白肚(2 1 1)从理论上讲，在爆炸载荷作用下，将损伤理论引入到岩石本构关系的研究中，大大促进了岩石爆破理论的发展。但损伤模型实际应用起来却存在着很大困难，其中最大的困难就是依赖目前的试验手段无法确定岩石材料的损伤参数。国外做了一些实验，试图采用在不同应变率条件下，进行高应变率动态试验的方法来确定损伤参量，但实际上，不仅试验难度大，而且设备也难以满足实验要求。另外，目前提出的爆破损伤模型本身在计算中仍存在着如下问题：输入参量过多，不仅有损伤方面的新参量，还保持着断裂强度因子等参量，使用起来极为不便，影响了该模型的推广；从模拟计算结果来看，损伤模型的计算结果与实际存在较大差距，尤其在孔底以下岩石中的误差较为明显：作为损伤理论构造的爆破模型在预报爆区块度分布方面应有所作为，而目前的模型还没有完成这一工作。损伤力学模型认为岩石在爆破作用下的破碎是由于岩石原有损伤激活、发展的结果，对断裂力学模型而言确实是又进了一步。但该理论仍然有一些问题，除了计算问题外，还主要存在如下缺点：首先，用裂纹密度方法解决损伤因子的确定问题。在模型中采取裂纹激活假设，忽视了岩石中原有存在的裂隙、孔洞等天然损伤对爆破作用的直接影响。而冲击载荷作用于含有初始损伤的岩石，将产生两种效应：一是降低了材料等效模量，使材料抵抗变形和破坏的能力降低；二是增加了材料吸收能量的能力，削弱了应力波的作用和传播。这就反映了初始损伤的存在有利于岩石动态损伤的演化、发展(提供裂纹源)，同时，岩石中的颗粒界而、节理、层理等不连续而，作为一种“量屏障”(耗散能量起屏障西南交通大学硕士研究生呈位论文一一第旦页作用)，使得扩展裂纹常终止于此，只有当更多的能量提供给介质时，才有可能产生新的裂纹。现有损伤模型仅考虑了损伤的发展引起岩石等效模量的降低，而没有考虑损伤演化愈烈愈需要耗散更多能量这个因素，从而导致了数值模拟计算时出现局部与实际不相符的现象。事实上，当应变率越高时，微裂纹扩展的应力降低区越小，被激活的裂纹数越多，亦即介质的损伤程度越高，冲击波能量的耗散也越大。因此，建立岩石动态损伤模型，应考虑伴随损伤演化过程的能量耗散问题。其次，未考虑爆生气体对岩石的损伤和破坏作用，实际情况中，爆炸应力波对岩石形成的微损伤在爆生气体的作用下会进一步发展，因此爆生气体对岩石的损伤和破坏不容忽视。损伤力学模型适用于各类岩石，相对于弹性模型和断裂模型，在模拟岩石性质方面更加合理且接近实际，尽管还存在一些问题，但在岩石爆破理论研究中仍被广泛接受和采用。综上所述，岩石爆破损伤模型虽然考虑了岩石本身微观损伤对岩石强度的劣化作用，但仍存在的很多问题。近年来，分形理论和有关声学研究成果在微观力学、岩石动力学领域的应用，进一步的促进了岩石动态本构关系研究的进展。2 1 4 分形损伤理论阶段在岩石爆破破碎过程中，一方面，岩石材料内部因物理作用产生细微结构变化，引起微缺陷成核、扩展、汇合，形成所谓的岩石内部缺陷，使岩石宏观力学性能劣化，最终引起岩石开裂或破坏；另一方面，岩石中广泛存在的节理、裂隙、孔洞、弱面等不连续界面也对岩石的爆破效果起着重要的影响。缺陷的存在使岩石的承载能力下降，应力波传播速度降低、峰值压力衰减加速、能量耗散加快。对岩石原始缺陷影响程度认识的不足，造成了目前在岩石爆破设计中无论如何精确计算都不能避免爆破效果在一定范围内的变化的状况。有文献指出，岩体的各种断裂构造，无论是断层还是节理以及微裂隙，其分布状态几何形状在一定的测度范围内均有较好的统计自相似性，可用分形维数来描述其形状的复杂程度，并且在相同的测度变化比例条件下，不同规模的断裂之间能用分维值来定量对比分析，用分形维数来描述比传统的用倾角、倾向、走向等参数来描述更方便，且更具全息性，而且简单明了，还具有易于代入数学方程来构造新的数学模型的优点。介于此，有学者将分形几何的概念引入岩石的动态特性研究中，利用分形理论提出一种新的岩石爆破模型。该类模型将岩体中的各种结构弱面视为初始损伤，以分形维数作为岩石性质的主要参量，并将损伤和分形纳入热力学框架，从而克服了以往模型中未考虑初始损伤西南交通大学硕士研究生学位论文一第亟和将损伤演化归结为体积应变函数的不足。爆破工作者经过广泛探索和实践，采用连续介质损伤力学解释材料本身的缺陷，采用分形力学解释节理、裂隙等不连续界面对爆破效果的影响，建立了岩石爆破分形损伤模型。针对岩石处于拉伸状态或压缩状态，建立了不同的本构关系方程。前面已经论述了在自由面存在条件下，岩石的破坏主要是拉伸破坏；因此，本文仅对拉伸状态下的本构关系进行讨论。体积拉伸条件下的岩石分形损伤本构关系：P=0-D)K 占(2 1 2)毛=等笋勺(2 1 3)肚萼甚白仁C a=p a 3 一巧(2 1 5)式中，D，为分形维数。该方程组需确定分形维数或损伤裂纹密度值方封闭可解。在各向同性弹性损伤的假设条件下，分形维数可由下式确定：B=D o+寺蜒(旯勺如+2 毛2)(2-1 6)毛2 勺+专磊(2 17)f 1勺2 oL当i=j 时当i j 时(2 1 8)式中K 一由实验确定的参数。分形损伤理论模型将分形几何的概念引入损伤理论模型中，使节理、裂隙等宏观弱面能以分形维数的形式在爆破模型中得以体现，不仅考虑岩石原始损伤的影响，还与损伤演化过程的能量耗散联系起来，而且利用分形维数与破碎块度的关系能够实现爆破块度预报。然而有关岩石内部的分形维数计算还不成熟，损伤过程的分形与能量耗散的有关试验参数也不易获得，使得该模型的应用范围受到了很大限制。但随着研究的进一步深入，该模型将会得到更为广泛的应用。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页2 2 岩石爆破破碎的机理分析岩石爆破破碎机理目前仍是一个存在着争议的科研领域。尽管人们应用炸药进行岩石破碎已经有近4 0 0 年的历史，但关于岩石破碎的科学理论系统研究只是近几十年才开始。由于爆破过程的高速性和复杂性，使人们观察岩石的全部破碎过程，在目前还不可能，所以人们往往只能根据爆破的最后结果和测试爆破过程某一片段和实验室模拟来进行研究、做出判断，并提出自己的观点。每个人所观察的侧面可能不同，所以提出的观点就可能不同。如对爆破破岩最初提出了克服岩石重力和内擦力的破坏假说，随后又相继提出了自由面与最小抵抗线关系理论、爆破流体力学理论、最大应力强度理论、冲击波应力波作用理论、反射拉伸波作用理论、爆生气体膨胀作用理论、爆生气体准静态作用理论、应力波与爆生气体共同作用理论、能量强度理论、功能平衡理论、爆破漏斗理论与爆炸断裂力学理论等等。这些理论和观点各自都有正确解释了各种爆破现象的一些方面，又有难以自圆其说的方面；这些理论既有相互映证、相互说明、相互渗透的一面，有时又有相互矛盾的一面。2 2 1 冲击波反射拉伸破坏理论1 9 5 3 年，日本人日野熊雄在总结前人观点的基础上系统地提出了冲击波拉伸破坏理论。该理论认为，当炸药在岩石中爆炸时，瞬时产生高温、高压、高速度的冲击波由孔壁向外传播，在岩石中引起强烈的冲击波，其强度大大超过了岩石的动态抗压强度，因此引起炮孔周围岩石的破碎，形成爆炸的压碎区。此后，当冲击波衰减为压缩应力波时，对孔壁的径向产生压应力和压缩变形，而切向将产生拉应力和拉伸变形，而岩石的抗拉强度远小于岩石的抗压强度，因此将在岩石中形成裂隙区。当压缩应力波通过裂隙区以后，其强度已经大大下降以至于不能直接引起岩石的破碎，在到达自由面时，压缩波从自由面反射形成拉伸波，该波再由自由面向炮孔传播。虽然此时的压缩波强度已经大为降低，但由于岩石的抗拉强度远小于其抗压强度，所以仍然引起岩体发生拉伸断裂，这一过程通常称为“层裂或“片落”。随着反射波向里传播，此后，层裂产生的裂纹与应力波产生的裂纹相交贯通，直至将漏斗范围内的岩石完全破裂为止。因此岩石破碎的主要部分是入射波和反射波作用的结果，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。从本质上说，该理论认为初始破碎和初始岩石位移主要是由于应力波和自由面相遇引起的，其后的气体膨胀引起的破坏作用很小。西南交通大学硕士研究生学位论文第lI 页2 2 2 爆炸气体膨胀破坏理论1 9 6 3 年瑞典学者U 兰格福斯提出了爆炸气体膨胀破坏理论。该理论认为，爆炸产生的气体膨胀作用是引起岩石破碎的主要原因。当爆生气体作用在炮孔壁上时，膨胀的高温高压气体渗入到由爆炸冲击波引起的初始径向裂隙中，把裂缝胀开，并在裂隙尖端形成切向的拉伸应力场，这种准静态应力场和气体的直接压缩作用促使裂隙向前延伸发展。当附近有自由面时，裂隙延伸到自由面使岩石破碎。这种理论还认为应力波对径向裂隙有扩展作用，而爆生气体对裂缝的侵入完成了破碎过程。此外，径向裂缝扦入周围岩体结构弱面，然后由气体膨胀形成扭曲和切变破坏是岩体破碎的主要因素。这一观点的主要依据有二：一是岩石发生破碎的时间是在爆炸气体作用的时间内；二是炸药中的冲击波能量(动能)仅占炸药总能量的5 1 5。2 2 3 两种岩石破碎理论的综合与发展冲击波拉伸破坏理论和爆炸气体膨胀破坏理论是基于对破碎岩石的冲击波能和爆炸气体膨胀能的不同认识而提出来的，各有一定的理论基础和试验依据，但又都有一定的不足之处。这一方面是由于爆炸过程的瞬发性、复杂性等造成的，另一方面也受测试技术水平和仪器设备的限制。在这种条件下，有些学者综合两派的论点，结合前人的研究成果，提出了冲击波和爆炸气体综合作用理论。但对于爆炸冲击波和爆生气体哪个起主要作用，目前仍存在两种不同观点。一种观点认为冲击波的作用只表现在对形成初始径向裂纹起先导作用，而大量破碎岩石则是依靠爆生气体膨胀压力作用。另一种观点则认为爆破过程中哪种载荷起主要作用要取决于岩石的波阻抗，即高波阻抗岩石应力波起主要作用，低波阻抗岩石爆生气体起主要作用；对于均质岩体以应力波作用为主，而对于整体性不好、节理裂隙发育的岩体，以爆生气体作用为主。岩石在炮孔中起爆后，岩石将发生如下破碎过程：(1)强大的冲击波压应力使炮孔周围岩石受压破碎，在瞬间形成压缩破碎和初始裂隙；(2)环向拉应力及应力波反射拉应力使岩石中的裂隙扩展，引起岩石进一步破裂，包括初始裂隙的扩展和二次裂隙的形成；(3)爆生气体膨胀作用使岩石中的裂隙贯穿形成破碎块度，碎胀体积增加，岩石成块或成片运动，形成爆堆及爆破漏斗。岩石爆破过程在炮孔周围的空间上可分为三个区域：(1)爆破近区，即强烈冲击区(流体力学区)。由于靠近炮孔周围的爆炸脉冲压力大大超过岩石的抗压强度，岩石表现出流体性质。又因应力衰减速度很快，压力脉冲的能量消耗使得此区的岩石遭受西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页粉碎性破坏。爆破近区