花岗岩岩石爆破破裂损伤的微观特性试验研究

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岩体爆破技术广泛应用在国家建设的许多领域,例如军事武器、交通工程、建筑拆迁、石油和矿山的开采、水利水电建设等领域都要运用到岩石爆破技术;然而随着国家建设的大力发展,许多大型国家项目的对工程爆破的要求越来越高,工程条件越来越复杂,特别是在保证围岩安全稳定性和调整爆破效果方面需要更高的要求,因此现代工程爆破技术迫切需要达到了一个新的高度。爆破技术发展的若干课题中,准确地判断和调整爆破时损伤的形成位置和发展趋势,精准地控制岩石爆破产生的损伤程度,精确地控制爆破断面的形成尤为重要。岩石在爆破作用下的损伤效应可以分为微观和宏观两个部分。岩石爆破破裂损伤特性不但与爆破荷载的作用特性有关,岩体的微观结构性质也起着决定性作用,然而人们很少从微观角度研究岩石的爆破破裂损伤机理和特性,因此具有十分重要的意义。本文针对花岗岩试块开展了爆破破碎试验及切片显微试验,主要取得了如下几个方面的结论和研究成果:(1)针对本文将进行的花岗岩试块爆破试验和数值分析,首先对花岗岩试块进行物理力学试验,得到相关的强度系数;然后对若干组花岗岩试块进行爆破破碎试验,分析实验结果得到花岗岩试块爆破破碎宏观特征:炮孔周边的破裂比较明显,由炮孔沿径向破裂逐渐减少,试块在四边的中心线贯穿破裂,破裂成四个区,试块四个角大都完整,几乎没有破裂。(2)用ANSYS/LS-DYNA程序数值模拟花岗岩试块爆破破碎试验,研究了分析结果的有效应力云图变化规律和特征有效单元应力变化规律,得到以下结论:炮孔壁周围受应力波作用最大,且由内向外逐渐减小,中心横竖线上受应力波作用较大,试块四个角受应力波作用很小;花岗岩试块爆破试验实际上是应力波与爆生气体共同作用的结果,在试块爆破试验中,破裂结果与应力波变化规律一致,这说明应力波在花岗岩等硬岩的爆破破裂作用中起到主导作用,而非爆生气体;应力波传播规律为试块切片显微试验提供了显微观察比较的依据。(3)针对岩石试件爆破试验,展开岩石切片试验研究,以及爆破破碎试件的切片显微,从微观角度研究爆破破碎岩石介质的破裂损伤机理与规律,通过不同区域岩石切片显微图像的对比分析得到以下结论:爆破荷载对岩石的破裂损伤非常明显,胶结强度与晶屑颗粒强度不同,岩石的损伤机制不同,损伤往往从结构弱劣位置开始,对于强度较高部位的裂隙裂纹处扩展与汇聚,往往会穿越强度弱部位形成更高级的裂纹或宏观裂隙;裂纹与裂隙的发生与发展,与应力波关系密切,这主要体现在距离炮孔位置的远近方面,距离炮孔位置近,裂纹分布密度高,反之远则分布密度低;裂隙与裂纹的发生与发展与原生裂纹等密切相关,原生裂纹丰富部位或岩石,更容易产生新的裂隙与裂纹,这映证了岩石缺陷破坏引导的理论;切片显微实验分析的结论从微观上进一步验证应力波在花岗岩爆破破碎损伤中起到的主导作用。
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