基于连续退化计算的各向异性岩体爆破损伤研究

It is meaningful to use a three-dimensional anisotropic model based on calculation of continuous degradation for rock mass in order to have more accurate damage estimations under blasting loads. However, few papers can be found to use the anisotropic damage theory to analyze the behavior of a rock mass under blasting loads. In this project, the effects of existing cracks and joints will be considered by using equivalent material properties to get the statistical initial damage in three directions, and the anisotropic damage accumulation will be studied by the continuous degradation of equivalent material stiffness and strength during the loading process and calculated using an exponential function with respect to the principal tensile strain. Besides that, Some blasting tests of smaller scale will be carried out in an open-pit mining site and the field blasting test data will be used to verify the accuracy of the numerical simulations in order to achieve accurate calculation of anisotropic continuum damage under blasting loads. The verified numerical model is then used to perform a series of simulation to further study the mechanism of effect of existing underground rock structure on principal frequency, content of frequency band of stress wave induced by blast and energy distribution. These researches of this project can not only use to assess the stability of underground rock structure under blasting loads, in practice, blasting operations are also can be guided, and most important is that it provides another method to intensively study the dynamic behavior of a rock mass under high strain rate dynamic loads by using the anisotropic damage theory to analyze the damage of a rock mass under blasting loads.

在对爆破荷载作用下地下岩体结构进行稳定性分析时，构建基于连续退化计算的各向异性岩体模型能够更加准确地评估爆破荷载作用下的岩体损伤，目前这方面的研究鲜有报道。本项目以等效岩体材料属性方法考虑节理和裂隙的影响，获得岩体三个方向的等效初始破坏值，以等效岩石材料硬度和强度的连续退化研究各向异性破坏累计并利用主拉应变的指数函数对其进行计算，同时，结合一系列小规模的爆破试验，验证所建立的岩体各向异性等效材料模型，实现对各向异性岩体的连续损伤计算。在此基础上，将该模型应用到地下岩体结构的爆破损伤分析中，进一步研究地下岩体结构对应力波主频、频带内容和能量分流的影响机理。项目研究不仅可以用来评估地下岩体结构在爆破荷载作用下的稳定性，还可以在工程实践中正确指导爆破作业，更重要的是，采用各向异性破坏理论分析爆破荷载作用下的岩体损伤，为深入认识岩体在高应变率动态荷载下的岩体行为提供了更为丰富的研究手段。

研究三维各向异性岩体模型以便更加准确地评估爆破荷载作用下的岩体行为具有极其重要的研究和应用价值。但采用各向异性破坏理论针对高应变率动态荷载作用下（如爆破荷载下）岩体行为进行的研究相对较少。为此，本项目采用等效岩体材料属性方法考虑节理和裂隙的影响，以等效岩石材料硬度和强度的连续退化研究高应变率动态荷载作用下的各向异性破坏累计并对其进行计算。. 项目首先在选定的试验场地开展了初步的工程地质调查，对试验场地内的岩体进行了现场取样，获得了实验场地内岩石的物理力学参数。接下来，在包含采空区在内的露天矿试验台阶上开展了一系列小规模爆破试验，在事先布置的测点处利用测振仪对现场爆破试验引起的应力波速度时间历史数据进行了采集，并对其加以分析获得了试验场地内的应力波质点振动峰值速度经验衰减规律、应力波主频经验衰减规律以及相应的傅里叶频谱。采用与爆破试验中相同的炸药量对建立的各向异性连续破坏模型进行数值计算，在模型中提取与试验测点相同位置处的数值计算结果，在参数研究的基础上以应力波速度时间历史数据对建立的各向异性连续破坏模型进行数值验证，得到符合试验场地实际的数值计算模型，据此反推出实验场地内岩体的三维各向等效材料属性。其次，通过提高模拟炸药量，并在模型中的岩体表面及采空区邻近围岩处设置更为丰富的目标点，对不同炸药量下的爆破情况进行了数值模拟。最后，在计算结果中提取出了不同炸药量下目标点处的应力波数据，得出了较高爆破能量下采空区邻近围岩中的质点振动情况以及岩体结构的损伤情况，揭示了地下岩体结构的存在对应力波主频、频带内容及能量分流的影响机理。获得了采空区在邻近台阶爆破荷载下的安全距离经验公式。目前该成果已在栾川三道庄钼矿的露天台阶爆破设计和操作过程中获得推广应用。