冲击作用下岩石破碎比功理论分析及模糊预测模型 (1)

岩土类材料的损伤本构模型及其在冲击动力学问题中的应用岩石、混凝土材料等非均匀和各向异性材料的动态本构和冲击损伤破坏规律的研究,是现阶段冲击动力学领域的重要的科学问题之一。

这一科学问题的研究对材料变形损伤破坏的非线性效应、应变率效应的耦合表征提出了新的挑战。

本文首先对岩土材料本构模型的研究概况和进展进行了较为全面、系统的回顾和总结。

对现有的主要的冲击载荷下的动态损伤模型进行了较系统的评述和比较,并对当前的研究热点及趋势作了讨论。

在此基础上,阐述了解决本课题理论问题的思路和方法。

岩土类材料的重要特征是其静压相关塑性屈服行为,本文在静水压相关的广义热粘塑性本构的理论框架下,从修正Drucker公设和应力空间中的屈服函数出发,以材料本构关系的内变量理论为工具,推导并建立了一般形式的,特别是静水压相关的热塑性和热粘塑性增量型本构关系的普适形式,其所得到的本构关系可以包含各种内变量硬（软）化行为、应变率硬（软）化行为、损伤软化、温度软化行为以及相互间的耦合作用。

所给出的本构关系是以应力屈服面为基础的,具有普适性;对任何动态程序都特别适用和方便,易于嵌入到损伤材料的冲击动力学数值计算程序,具有很强的实用性。

考虑到应用的重要性,文中特别给出了若干常用的岩土本构模型的增量本构关系计算公式和流程。

在较详细地论述了分形、分形维数概念及分形测量方法的基础上,将之与岩土材料损伤破坏所具有的分形特点相联系,尝试性地将分形几何引入到岩土材料损伤定义,详细地推导了岩土材料的拉伸状态下损伤演化方程。

其损伤演化方程中,分形维数及其与损伤能量耗散率的关系的引入,不仅解决了损伤的确定问题,减少了损伤模型中的所涉及的岩土特性参数,而且新构造的分形损伤模型可计及岩土的天然损伤影响和应力波传播过程中引起的裂纹扩展效应新进展。

以岩土损伤分形本构模型的研究成果为基础,由岩石损伤分形维数和能量耗散率之间的关系,建立了拉压两种不同状态下的损伤演化方程,并以等效模量理论为基础建立了岩土材料含损伤的动态本构关系;利用本文所建立的含损伤本构模型,采用有限差分方法对砂岩冲击载荷下一维应变波传播问题进行了数值模拟,得到了应力波传播过程中,应力、分形维数、裂纹密度及损伤等量得演化规律,其结果对工程应用有指导意义。

单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究一、本文概述本文旨在深入研究单轴压缩下岩石损伤演化的细观机理，并探讨其对应的本构模型。

通过对岩石在单轴压缩过程中的微观破坏行为进行详细分析，揭示岩石损伤演化的内在机制，进而建立能够准确描述岩石力学行为的本构模型。

这一研究对于理解岩石的力学特性、预测岩石工程的稳定性和优化岩石工程设计具有重要意义。

在概述部分，本文将首先介绍单轴压缩试验的基本原理和方法，以及其在岩石力学研究中的应用。

随后，将概述岩石损伤演化的基本概念和研究现状，包括岩石损伤演化的定义、分类、影响因素等。

在此基础上，本文将提出研究目的和意义，明确研究内容和方法，并简要介绍论文的结构和主要研究成果。

通过本文的研究，我们期望能够深入理解岩石在单轴压缩下的损伤演化过程，揭示其细观机理，并建立相应的本构模型。

这将有助于我们更好地预测和控制岩石工程的稳定性和安全性，为岩石工程的设计、施工和维护提供科学依据。

二、单轴压缩岩石损伤演化细观机理在单轴压缩条件下，岩石的损伤演化细观机理是一个复杂而关键的科学问题。

单轴压缩是指岩石在单一轴向压力下发生的变形和破坏过程，它是岩石力学中最基本也是最重要的试验手段之一。

在这个过程中，岩石内部的微裂纹、微孔洞等损伤会不断演化，最终导致岩石的宏观破坏。

岩石在单轴压缩过程中，由于其内部存在的非均匀性和初始损伤，会导致应力分布的不均匀。

在应力集中区域，微裂纹会首先产生并扩展。

这些微裂纹的扩展方向往往与最大主应力方向一致，形成所谓的“翼裂纹”。

随着应力的增加，微裂纹会不断扩展、连接，形成宏观裂纹，导致岩石的整体强度降低。

岩石的损伤演化过程中还伴随着能量的耗散和释放。

在微裂纹产生和扩展的过程中，会消耗一部分外部输入的能量，并以热能的形式释放出来。

同时，岩石内部的损伤还会导致其弹性模量、泊松比等力学参数的降低，进一步影响岩石的应力-应变关系。

岩石的损伤演化还受到多种因素的影响，如岩石的矿物成分、颗粒大小、孔隙率、温度、压力等。

岩石热破裂过程的数值模型及其应用下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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岩石破坏机理及节理裂隙分布尺度效应的非线性动力学分析与应用概述：岩石破坏机理及节理裂隙分布尺度效应是岩石力学领域的核心问题之一、在实际工程中，岩石的破坏是一个非线性、复杂的过程，其研究对于地下开挖、土木工程、地震等都具有重要的意义。

本文将围绕岩石破坏机理和节理裂隙分布尺度效应展开非线性动力学分析与应用的研究。

一、岩石破坏机理研究1.岩石力学模型：岩石的力学性质是岩石破坏机理的基础。

研究岩石的本构模型和损伤模型，了解岩石在受力过程中的行为特点，对于预测岩石的破坏行为具有重要意义。

2. 破坏准则：破坏准则是判断岩石破坏的标志，研究岩石的破坏准则可以为实际工程提供指导。

常用的破坏准则有Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则、Hoek-Brown准则等。

3.破坏模式：不同的岩石在受力过程中会出现不同的破坏模式，如拉伸破坏、压缩破坏、剪切破坏等。

研究岩石的破坏模式可以提供关于岩石破坏机理的重要信息。

二、节理裂隙分布尺度效应研究1.节理裂隙尺度效应：岩石中存在着不同尺度的节理裂隙，研究节理裂隙的尺度效应可以帮助理解节理对岩石破坏的影响。

不同尺度的节理裂隙对岩石的强度和变形特性有不同影响，研究这种尺度效应对于评估岩石的可靠性和稳定性具有重要意义。

2.节理裂隙分布特征：节理裂隙的分布特征是确定岩石破坏性质的重要因素。

研究节理裂隙的分布特征可以为预测岩石破坏的范围和程度提供参考。

3.节理裂隙对破坏机理的影响：节理裂隙通常会导致岩石的非均匀变形和应力集中。

研究节理裂隙对岩石破坏机理的影响可以揭示节理裂隙与岩石破坏机理之间的关系。

非线性动力学分析是研究岩石破坏过程中非线性动力学行为的重要手段。

通过建立非线性动力学模型，可以模拟并预测岩石在受力过程中的破坏行为。

1.数值模拟方法：利用计算机仿真方法，建立岩石的非线性动力学模型，并通过数值计算手段研究岩石破坏的过程和机理。

2.实验研究：通过实验手段，对岩石的破坏行为进行直接观测和测量，验证非线性动力学模型的准确性，并提供实际工程的参考依据。

岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究近年来，隧道工程在城市建设和交通发展中发挥着越来越重要的作用。

然而，在隧道开挖过程中，岩石的损伤与破坏问题一直是制约工程质量和安全的重要因素。

为了更好地理解和控制岩石的损伤与破坏，岩石损伤断裂相场模型及隧道开挖损伤区应用研究成为当前隧道工程领域的热点问题。

一、岩石损伤断裂相场模型1. 岩石力学性质岩石是一种具有复杂结构和性质的地质体，其力学性质表现出非线性、非弹性和非均质等特点。

为了描述岩石的力学行为，科学家们逐渐建立了不同的力学模型，其中判断裂相场模型成为研究岩石损伤和破坏的重要工具。

2. 判断裂相场模型介绍判断裂相场模型是一种基于连续介质力学和断裂力学原理的数值模拟方法，适用于描述岩石损伤、破坏和裂纹扩展等现象。

该模型将岩石看作是一个连续的相场系统，在岩石内部存在着复杂的微裂纹网络，通过相场变量来描述裂纹的形成和演化过程，并结合能量耗散函数来描述裂纹扩展的物理过程。

3. 模型在岩石工程中的应用判断裂相场模型在岩石工程中的应用主要包括岩石损伤和破坏的数值模拟、岩石力学参数的反演和优化设计等方面。

通过模拟岩石开挖过程中的损伤演化，可以为工程设计提供可靠的参考依据，降低工程风险和成本。

二、隧道开挖损伤区应用研究1. 隧道开挖引起的岩石损伤隧道开挖过程中，地下岩体会受到巨大的应力和变形，从而引起损伤和破坏。

特别是在岩体中存在构造面、节理、脆性岩层等情况下，岩石的损伤程度更加严重。

2. 损伤区范围与控制隧道开挖损伤区是指岩石在开挖过程中受到破坏和损伤的区域，其范围与控制对于隧道工程的安全和稳定至关重要。

利用判断裂相场模型对隧道开挖损伤区进行数值模拟和分析，可以有效预测损伤区范围、形态和变形特征，为设计和施工提供科学依据。

3. 工程实例分析通过对某一具体隧道工程开挖损伤区的实际研究和分析，可以验证判断裂相场模型在现实工程中的适用性和有效性。

实验一 岩石的抗拉强度实验一、原理抗拉强度是岩石力学性质的重要指标之一。

由于岩石的抗接强度远小于其抗压强度，故在受载时，岩石往往首先发生拉伸破坏，这一点在地下工程中有着重要意义。

由于直接拉伸试验受夹持条件等限制，岩石的抗拉强度一般均由间接试验得出。

在此采用国际岩石学会实验室委员会推荐并为普遍采用的间接拉伸法（劈裂法，又舟巴西法）测定岩样的抗拉强度。

由弹性理论可以证明，圆柱或立方形试件劈裂时的抗拉强度由下式确定DtP ubt πσ2=式中：P u —试件破坏时的荷载；D —圆柱体试件的直径或立方体试件高度； t —圆柱体试件厚度或立方体试件宽度。

止式认为在试件破裂面上的应力为均匀拉应力，实际上在试件受压接触点处，压应力值大于均匀拉应力值的12倍以上，然后迅速下降，以圆柱试件为例，在距圆柱试件中心大约（半径）处，应力值变为零，然后变为拉应力，至圆板中心附近拉应力取最大值，因此做劈裂试验时常在圆柱样中心附近首先产生拉伸断裂，圆柱体试件受压直径面上的应力分布如图1－1所示。

图1－1二、仪器设备1．压力机，规格10吨；2．试样加工设备：钻石机、切石机、磨光机、卡尺、角尺、测量平台、放⊕r rPP大镜、金刚砂、玻璃板、烘箱、干燥器等；3．垫条：直径为或为的钢丝。

三、操作步骤1．试样制备规格为φ5厘米或5×5厘米的岩样，每组3个，加工允许尺寸误差小于，两端面平行度小于，端面应垂直于试样轴线，最大偏差小于度。

对于非均质粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径比应满足标准试样的要求。

2．试样安装将准备好的试样连同垫条按图1－1所示的形式旋转在压力机上下压板间，然后调整压力机的横梁或活塞，使试样固定，应注意使试样上、下两垫条刚好位于包含压力机加荷板中心线的垂直面内，以避免荷载的偏心作用。

3．施加荷载以每秒3~5kg/cm2的加荷速率加压，直至试样破坏，记录最大破坏荷载，并描述试样破坏情况。

岩石破碎学岩石破碎学是一门研究岩石破碎过程和破碎设备性能的学科，涉及到岩石力学、材料力学、机械工程等多个领域。

在基础设施建设、矿产资源开发、国防工程等领域，岩石破碎作业具有重要意义。

本文将从岩石破碎的基本原理、破碎设备、破碎过程和破碎效率等方面展开论述。

一、岩石破碎的基本原理岩石破碎是指将硬质岩石转化为符合工程需求的大小和形状的过程。

岩石破碎的基本原理主要包括以下几个方面：1. 岩石的物理和力学性质岩石是一种天然材料，具有复杂的物理和力学性质。

岩石的物理性质包括密度、孔隙率、含水率等，而力学性质主要包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。

岩石的物理和力学性质直接影响到岩石破碎的难易程度和破碎设备的选型。

2. 破碎力的产生破碎力是指在岩石破碎过程中，破碎设备对岩石施加的力。

破碎力的产生主要通过对岩石的冲击、压缩、剪切等作用来实现。

冲击破碎主要是通过高速运动产生的动能转化为岩石的破碎能量；压缩破碎主要是通过挤压作用使岩石产生裂纹，进而破碎；剪切破碎则是通过剪切力使岩石断裂。

3. 破碎机理岩石破碎机理是指岩石在受到破碎力作用时，内部的应力状态和裂纹发展规律。

破碎机理的研究对于优化破碎设备设计和提高破碎效率具有重要意义。

常见的岩石破碎机理有脆性破碎、延性破碎和韧性破碎等。

二、破碎设备破碎设备是岩石破碎过程中的关键工具，根据破碎原理和破碎方式的不同，破碎设备可分为以下几类：1. 颚式破碎机颚式破碎机是一种采用颚板对岩石进行挤压和剪切作用的破碎设备。

其主要特点是结构简单、破碎比大、适应性强。

颚式破碎机广泛应用于基础设施建设、矿产资源开发等领域。

2. 锥式破碎机锥式破碎机是一种采用圆锥状破碎元件对岩石进行压缩破碎的设备。

根据破碎腔的形状，锥式破碎机可分为标准型、短头型和超细型等。

锥式破碎机具有破碎力大、生产能力高、产品粒度均匀等特点，适用于矿山、建筑材料等领域。

3. 反击式破碎机反击式破碎机是一种采用高速旋转的转子对岩石进行冲击破碎的设备。

钻探工程中冲击载荷下冲击功和破碎比功理论模型研究朱俊霖;叶盛鹏【摘要】冲击荷载作用下破碎岩石是钻探工程中常用的碎岩方法之一.为了减少坚硬脆性岩层中的钻头磨损和提高冲击碎岩效率,本文针对动载碎岩原理和冲击碎岩效果,开展了其理论模型公式研究和分析.探讨了动静载碎岩效果的区别,详细分析了影响冲击碎岩效果的因素中的冲击功和破碎比功,基于岩石破碎比功建立了破碎体积的解析计算模型,这一研究的开展对于冲击钻进技术应用质量的提升,起到了有效的促进作用.【期刊名称】《世界有色金属》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】2页(P98-99)【关键词】冲击载荷;冲击功;破碎比功;破碎体积;解析计算模型【作者】朱俊霖;叶盛鹏【作者单位】中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙410083;中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TU45冲击载荷作用下破碎岩石是钻进过程中常见的一种碎岩方式，广泛应用于钻进软硬夹层、卵砾石层、坚硬岩层和破碎地层等。

例如，脆性的坚硬岩石中冲击回转钻进是以冲击碎岩为主，以及牙轮钻进中牙轮在孔底是靠冲击破碎岩石。

目前在现场经常发现钻头易磨损，尤其是钻进硬岩地层，钻头损耗比较严重，同时冲击破碎时，岩石给钻头、冲锤体系一个反弹力，使其回弹一定高度造成部分能量损失，冲击碎岩能量利用率比静载碎岩要低，因此深入研究影响碎岩效果的因素具有很强的理论和实际意义。

研究表明，破碎体积、破碎比功是衡量碎岩效率的重要指标[1,2]。

破碎单位体积的岩石所耗费的能量称为破碎比功，它既是衡量岩石性质的物理量，同时又是评价碎岩效率的指标，所以根据岩石破碎的基本理论，我们建立了岩石破碎比功的解析计算模型，为冲击破碎岩石在工程中的应用提供理论支撑。

当前部分学者利用数值模拟对碎岩过程进行了模拟，但实际冲击破碎岩石的过程中既有岩石的压碎，又有剪切破坏作用，使得数值模拟所涉及的参数过多，计算量很大而且指导意义有限，所以我们从碎岩机制出发，适当优化部分参数，建立解析模型。

2003年10月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2003收稿日期：2003-03-28作者简介：高文学，男，1963年生，博士，副教授，主要从事隧道工程和爆破工程方向的教学的研究工作。

文章编号：1000－7598－(2003)增2―0585―04爆炸荷载下岩石损伤机理及其力学特性研究　高文学，刘运通（北京工业大学 建筑工程学院， 北京 100022）摘 要： 基于所建立的反映岩石冲击压缩、拉伸损伤理论模型以及深孔微差爆破数值模拟结果，研究了爆炸载荷作用下岩石损伤演化和破碎规律，分析了岩石的动态力学特性；通过对水平边界条件下爆破破岩物理、力学过程的研究，探讨了深孔微差爆破的作用机制和爆破设计原则。

关 键 词： 脆性岩石；动态损伤；力学特性 中图分类号： TU 452 文献标识码： ADamage mechanism and mechanical behaviors of rock under explosion loadingGAO Wen-xue ，LIU Yun-tong（College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100022）Abstract ： Based on the damage model which connects the shock compression, tensile damage and the numerical simulation results of deep-hole blasting, the damage evolution rules and the mechanical properties of rock under explosion loading are discussed deeply. The fragmentation process is fairly delineated during blasting, which contributes probe into the designing principle of millisecond blasting under the horizontal boundary condition.Key words ： Brittle rock ；dynamic damage ；mechanical behavior1 引 言各类材料在外界因素作用下发生力学性能的劣化并导致体积单元破坏的现象，即是我们常说的损伤。

5岩石爆破理论5.1岩石爆破破坏基本理论炸药爆炸引起岩石破坏，这是一个高能转化释放、传递作功的过程。

在这个过程中，岩石受力情况极其复杂，而历时又极为短暂，因此要正确地解释岩石爆破破碎机理，就极为困难，人们已作了多年的努力，仍没有一个确切全面的唯一的解释，而是各执一词。

但将多类解释的基本观点与理论依据归类，可概括为三大假说：5.1.1 爆生气体膨胀作用理论这种理论是从静力学的观点出发，认为：岩石的破碎主要是由爆炸气体产物的膨胀压力引起。

(1) 炸药爆炸时，产生高压膨胀气体，在周围介质中形成压应力场。

炸药爆炸生成大量气体产物，在爆热的作用下，处于高温高压的状态，而急剧膨胀，这些膨胀气体以极高的压力作用于周围介质，而形成压应力场。

(2) 气体膨胀推力使质点产生径向位移，而产生径向压应力，其衍生拉应力，产生径向裂隙。

很高的压应力场，势必使周围岩石质点发生径向移动，这种位移又产生径向压应力，形成径向压应力的传递；质点在受径向压应力时，将产生径向压缩变形，而在切向伴随有拉伸变形生产，这个拉伸应变就是径向压应力所衍生的切向拉应力所产生。

当岩石的抗拉强度低于此切向拉应力时，就将产生径向裂隙；岩石的抗拉强度远远地小于抗压强度（常为其1/10～1/15），所以拉伸破坏极易发生，而形成径向裂隙。

(3) 质点移动所受阻力不等，引起剪切应力，而导致径向剪切破坏。

质点位移受到周围介质的阻碍，阻力不平衡在介质中就会引起剪切应力，若药包附近有自由面时，质点位移的阻力在最小抵抗线方向最小，其质点位移速度最高，偏离最小抵抗线方向阻力增大，质点位移速度降低，这样在阻力不等的不同方向上，不等的质点位移速度，必然产生质点间的相对运动而产生剪切应力。

在剪切应力超过岩石抗剪强度的地方，将发生径向剪切破坏。

(4) 当介质破裂，爆炸气体尚有较高的压力时，则推动破裂块体沿径向朝外运动，形成飞散。

上述破坏发生将消耗大量的爆炸能，如果爆炸气体还有足够大的压力，则将推动破碎岩块作径向外抛运动，若压力不够就可能仅是松动爆破破坏，而没有抛散，甚至只是内部爆破。