高应力区岩体的爆破破裂机制及其数值分析方法

Aiming at the blast-induced fracture process in rock mass in large-scale Hydropower Project, the fracture mechanism of rock mass in high in-situ stress under explosion and its numerical simulation approach will be studied by adopting a research method which combines theoretical analysis, experiments and numerical simulation. Through analyzing the reserving and releasing processes of strain energy of rock mass under blasting excavation disturbance, the calculation approach of strain energy will be proposed. A strain rate dependent model of crack propagation and instability in rock will be established after study the instability and propagation mechanism of rock mass cracks under the coupling effect of blasting load and transient unload. The spatial and time discretization method of coupled fluid-structure analysis system will be studied, and the application modules and program interface which can be used to analyze the coupled fluid-structure of rock fracture process during blasting will be developed on the basis of combined finite-discrete element model FEMDEM and multiphase model Multiphase Fluidity. Then a numerical simulation method of coupled fluid-structure in fracture process of rock mass will be proposed to reveal the whole fracture process of rock mass in high in-situ stress area under blasting excavation. The research results can not only quantitatively evaluate the effect of detonation gas and explosive shock wave on the fragmentation of rock mass but also provide a theoretical foundation and analytical methods of fracture range of rock mass in high in-situ stress area, which have a broad application prospects in the engineering fields such as Hydropower engineering, traffic engineering and mining engineering.

本项目以大型水利水电工程爆破开挖中岩石破裂过程为研究主线，采用理论分析、试验与数值模拟相结合的研究方法，研究高应力区岩体的爆破破裂机制及其数值分析方法。通过分析开挖扰动下岩体应变能的储存及释放过程，提出岩体应变能变化的计算方法；研究爆炸荷载与开挖瞬态卸荷耦合作用下岩体裂纹的扩展失稳机制，建立应变率相关的岩体裂纹扩展失稳分析模型；研究流固耦合分析系统的空间与时间离散方法，基于有限元与离散元耦合方法FEMDEM与多相流模型Multiphase Fluidity，开发爆破破岩流固耦合分析应用模块及程序接口，提出相应的岩体爆破破裂过程的流固耦合数值分析方法，揭示高地应力区岩体的爆破破裂全过程。研究成果可为量化评价爆生气体与爆炸冲击波对高应力区岩体破裂影响及高应力区岩体爆破破裂范围提供理论依据和分析方法，在我国大型水利水电工程建设、交通工程建设及矿山开采等领域具有广阔的工程应用前景。

本项目以大型水利水电工程爆破开挖中岩石破裂过程为研究主线，采用理论分析、试验与数值模拟相结合的研究方法，研究了高应力区岩体的爆破破裂机制及其数值分析方法，主要研究内容有以下三个方面：（1）爆破开挖条件下高应力区岩体应变能的变化过程、（2）爆破开挖对岩体裂纹扩展失稳的扰动机制、（3）岩体爆破破裂过程的数值分析方法。通过项目研究，揭示了开挖扰动下岩体应变能的储存及释放过程，以及爆炸荷载与开挖瞬态卸荷耦合作用下岩体裂纹的扩展失稳机制，开发了基于有限元与离散元耦合方法FEMDEM与多相流模型Multiphase Fluidity的岩体爆破破裂流固耦合数值分析方法，采用流固耦合数值模拟方法模拟了高地应力区岩体的爆破破裂全过程。研究成果为量化评价爆生气体与爆炸冲击波对高应力区岩体破裂影响、高应力区岩体爆破破裂范围及其节理岩体位移突变提供了理论依据和分析方法，在我国大型水利水电工程建设、交通工程建设及矿山开采等领域具有广阔的工程应用前景。结合项目研究，在《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》、《Journal of Computational Physics》、《岩石力学与工程学报》及《爆炸与冲击》等期刊上发表学术论文15篇，其中SCI收录论文3篇，EI收录论文6篇。另外，获授权发明专利4项，受理发明专利4项，实用新型专利2项，培养毕业研究生5名，在读研究生2名。