应变波对岩体的损伤作用和爆生裂纹传播
(完整word)岩石的损伤力学及断裂力学综述
岩石的断裂力学及损伤力学综述摘要:论述了国内外断裂力学及损伤力学的学科发展历程，总结了岩体断裂力学损伤力学的研究内容、研究特点以及岩石力学专家们一些年来所取得的主要成果，并简单介绍了断裂力学损伤力学在岩土工程中的实际应用.最后，通过对岩石破坏的断裂—损伤理论的阐述，指出了综合考虑损伤与断裂的破坏理论是能更好地反映岩石实际破坏过程的一种新的理论, 可在以后的理论研究和实际工程中得以更为广泛的应用。
关键词：岩石断裂力学损伤力学应用1 引言岩石的破坏过程总是伴随着损伤（分布缺陷）和裂纹（集中缺陷)的交互扩展, 这种耦合效应使得裂纹尖端附近区域材料必然具有更严重的分布缺陷。
岩石的破坏, 如脆性断裂和塑性失稳，虽然有突然发生的表面现象，但是，从材料损伤的发生、发展和演化直到出现宏观的裂纹型缺陷, 伴随着裂纹的稳定扩展或失稳扩展，是作为过程而展开的。
经典的断裂力学广泛研究的是裂纹及其扩展规律问题。
物体中的裂纹被理想化为一光滑的零厚度间断面。
在裂纹的前缘存在着应力应变的奇异场,而裂纹尖端附近的材料假定同尖端远处的材料性质并无区别。
象裂纹这样的缺陷可称它为奇异缺陷,因此经典断裂力学中物体的缺陷仅仅表现为有奇异缺陷的存在。
而损伤力学所研究的是连续分布的缺陷，物体中存在着位错、微裂纹与微孔洞等形形色色的缺陷,这些统称为损伤.从宏观来看，它们遍布于整个物体.这些缺陷的发生与发展表现为材料的变形与破坏。
损伤力学就是研究在各种加载条件下，物体中的损伤随变形而发展并导致破坏的过程和规律。
事实上，物体中往往同时存在着奇异缺陷和分布缺陷。
在裂纹(奇异缺陷)附近区域中的材料必然具有更严重的分布缺陷，它的力学性质必然不同于距离裂纹尖端远处的材料.因此, 为了更切合实际, 就必须把损伤力学和断裂力学结合起来, 用于研究物体更真实的破坏过程。
2 断裂力学2。
1 断裂力学学科发展“断裂力学”指的是固体力学的一个重要分支，该学科要在假定裂纹存在的条件下，寻求裂纹长度、材料抗裂纹增长的固有阻力、以及能使裂纹高速扩展从而导致结构失效的应力之间的定量关系[]1。
岩体变形破坏过程的能量机制
岩体变形破坏过程的能量机制岩体变形破坏过程是一个由外力作用引起的能量释放过程。
岩体在受到外力的作用下逐渐累积能量，当这部分能量超过岩体的抗力时，就会引发岩体的变形和破坏。
岩体变形破坏的能量机制主要包括应变能的积累和释放过程、动能转化为应变能的过程以及应变能转化为破坏能的过程。
首先，岩体受到外力作用后，从初态到终态的过程中会产生应变能的积累和释放过程。
外力的作用使岩石产生弹性应变、塑性应变和破裂应变。
弹性应变是可恢复的应变，塑性应变是不可恢复的应变，破裂应变是岩石的断裂。
在岩石受到外力作用时，弹性应变首先发生，然后逐渐转化为塑性应变，当塑性应变达到一定程度时，就会引发破裂。
岩体的弹性势能和塑性变形能都积累在岩体中，这部分能量通过震动、热量等方式释放出来，当释放的应变能超过岩体抗力时，就会引发岩体的破坏。
其次，动能转化为应变能是岩体变形破坏过程的另一个能量机制。
当外力作用于岩石时，岩石受到的应变能不仅来自于外力的作用，也包括岩石内部的动能转化为应变能。
当岩体受到外力时，外力对岩体的作用会使岩体发生变形，变形速度越快，岩石的动能就越大。
岩石动能的转化主要通过岩石内部的位移和变形来实现。
当岩石受到外力时，岩体内部各个部分的位移不同，不同的位移速度导致了动能的差异，这部分动能会转化为应变能。
最后，应变能转化为破坏能是岩体变形破坏的关键能量机制。
岩石的变形和破坏主要是由于岩石内部的应变能积累到一定程度时超过了岩石的抗力，从而导致岩体的破坏。
在岩体变形过程中，应变能主要以形变和塑性变形的形式存在，当应变能积累到一定程度时，塑性变形和应力集中会导致裂隙的发展和联合，从而进一步加剧岩体的破坏。
这部分应变能的释放主要通过断裂面的形成和扩展，将岩体内部的应变能释放出来，并以破碎、破裂等形式表现出来。
总之，岩体变形破坏过程的能量机制包括应变能的积累和释放过程、动能转化为应变能的过程以及应变能转化为破坏能的过程。
这些过程都是岩体变形破坏的重要能量机制，对于理解和预测岩体变形破坏具有重要意义。
矿山爆破与岩石破裂力学
裂纹扩展：应力波在岩石中传 播，使裂纹扩展，最终使岩石
破碎
岩石破碎：岩石在应力波的作 用下，产生裂纹，最终破碎成
小块
露天爆破：适用于露天矿床的开采
地下爆破：适用于地下矿床的开采
定向爆破：适用于定向控制爆破，如隧道、 桥梁等
控制爆破：适用于控制爆破，如拆除、破 碎等
水力爆破：适用于水下爆破，如港口、航 道等
建立完善的安全监管体系，确保矿山爆破作业的合规性 加强员工培训，提高安全意识和操作技能 定期进行安全检查，及时发现并消除安全隐患 制定应急预案，确保在发生事故时能够及时有效应对
矿山爆破与岩石破 裂力学的实践应用
矿山爆破设计：根 据矿山的岩石类型、 开采要求和安全标 准，进行爆破方案 的设计和优化，确 保爆破效果和安全
应力状态：岩 石在受到外力 作用下产生的
应力状态
破裂准则：岩 石破裂的条件
和标准
破裂过程：岩 石从受力到破
裂的过程
破裂模式：岩 石破裂后的形 态和分布规律
岩石强度：指岩石抵抗破坏的能力，包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等 岩石变形特性：指岩石在外力作用下的变形能力，包括弹性变形、塑性变形、脆性变形等 岩石强度与变形特性的关系：岩石的强度与变形特性密切相关，强度越高，变形能力越弱 岩石强度与变形特性的影响因素：包括岩石的矿物成分、结构、孔隙率、水化程度等
爆破过程中可 能产生火灾、 爆炸等危险， 需要采取防火、
防爆措施
爆破过程中需 要遵守安全操 作规程，确保
人员安全
爆破过程中需 要做好安全防 护措施，如佩 戴安全帽、防
护服等
岩石破裂可能导致山体滑坡、泥石流等自然灾害 岩石破裂可能导致地下水污染、地表水污染等环境问题 岩石破裂可能导致周边建筑物、道路等基础设施损坏 控制措施：采用先进的爆破技术、加强监测和预警、加强环境保护等
岩石的爆破破碎机理2008
岩石的爆破破碎机理2008-07-09 17:39一、岩石爆破破碎的主因破碎岩石的炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。
但是岩石破碎的主要原因究竟是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。
1、冲击波拉伸破坏理论（该观点的代表人物日野熊、美国矿业局的戴维尔）当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高压和高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。
当压缩应力波通过粉碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。
当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波的强度已很低，但是岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。
这种破裂方式亦称“片落”。
随着反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗内的岩石完全拉裂为止。
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。
2、爆炸气体的膨胀压理论（该观点的代表人物村田勉等）从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。
当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。
当爆炸气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出。
它在很大程度上忽视了冲击波的作用。
3、冲击波和爆炸气体综合作用理论（该观点的代表人物有C.W.利文斯顿、φ.A.鲍姆，伊藤一郎，P.A.帕尔逊、H.K.卡特尔，L.C.朗和N.T.哈根等）这种观点的学者认为：岩石的破碎是由冲击波和爆炸气体膨胀压力综合作用的结果。
即两种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同岩石所起的作用不同，爆炸冲击波（应力波）使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后爆炸气体使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，脱离母岩。
岩石爆破损伤特性数值模拟研究
M 管理及其他 anagement and other
图 9 径向裂纹统计情况
图 6 爆炸压力时程曲线
1.9 ms
4.2 ms
7.5 ms
9.2 ms
图 7 岩体爆破损伤过程
根据哈里斯的实验结果 [7]，半径为 b 的球形装药爆破漏斗实
验中，当径向裂纹延展距离为 R 时，径向裂纹数为 ：
式中，为此时该点的切向应变，为岩石动态抗拉临界应变， 为一常数。此时，爆破漏斗深度为 19.3b 时，压碎区半径为 3.1b， 约为漏斗深度的 0.16 倍，漏斗开口处径向裂纹数量为 7 条。
由图 8 可知，径向裂纹最远扩展距离为 7.07 m，粉碎区半径 约为 0.35m，约为漏斗深度的 0.15 倍。下图给出了爆破后最终裂 纹分布情况，1 号裂纹与 2 号裂纹为漏斗斜边，其间的裂纹为上 部剥离岩体的内部裂纹。经统计，漏斗开口处径向裂纹数目为 7 条，数值模拟结果与哈里斯的实验结果相吻合。
与哈里斯爆破漏斗实验结果基本吻合。
关键词 ：岩石爆破 ；爆破漏斗 ；颗粒流
中图分类号 ：TU458
文献标识码 ：A
文章编号 ：11-5004（2021）13-0104-2
近年来，数值模拟方法在岩体爆破等工程实际的研究中得 到了广泛应用。众多研究人员对爆炸荷载下岩体的断裂损伤特 性和能量传播机制进行了合理的模拟分析 [1]，为指导爆破施工设 计等工作提供了重要的理论和技术参考。Long An 和吴再海 ] [2-3 等使用 PFC 结合 LS-DYNA，研究了爆生气体的“准静态作用” 和爆炸应力波的“动态作用”对窄矿脉的爆破破坏模式的影响。 Yuan W[4] 等为提升低渗透砂岩的爆破质量，利用 PFC 研究了装 药不耦合系数对爆炸裂纹扩展模式的影响。
爆破技术员试题(高级)
第3章申请高级作业级别的试题1. 岩石受到冲击荷载作用时，应变率如何表示?答：应变率是岩石受载后单位时间内的应变量，数学表达式为:式中 d——应变量； dt——单位时间,s。
应变率的单位是s—1。
岩石在承受诸如凿岩、爆破、振动和碎矿这样冲击荷载作用时，从承受荷载开始到破坏的荷载周期仅有410~210s，即使在这样短暂的时间内，载荷仍然随时间而变化。
因此，岩石单元体实际上是处于随时间而变化的动态变化过程中。
2. 岩石受冲击动荷载作用于静载作用相比，有何特点？答:（1）冲击动荷载作用下形成的应力场(应力分布及大小）与岩石性质有关;静载作用则与岩性无关。
（2）冲击动荷载是瞬时性的，一般为毫秒级，而静载则通常超过10s.与前者相比,后者的变形和裂纹发展比较充分。
(3)爆炸荷载在传播过程中，具有明显的波动特性，其质点除失去原来的平衡位置而发生变形和位移外，尚在原位不断波动.因此，岩石在动载作用下,其变形特征同静载变形有本质区别。
（4）通常，岩石的冲击动载强度比静载强度高,高出的比例依岩石性质和应变率不同而异.3。
岩石按其成因，分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类，试简述这三类岩石的成因和特征。
每一类岩石各举1～2例。
答：(1)岩浆岩.岩浆岩是由埋藏在地壳深处的岩浆（主要成分为硅酸盐）上升冷凝或喷出地表形成的。
直接在地下凝结形成的称为侵入岩；喷出地表形成的叫做火山岩（喷出岩）。
侵入岩的产状多为整体块状，火山岩的整体性较差,常伴有气孔和碎屑.常见的岩浆岩有花岗岩、闪长岩等。
（2）沉积岩.沉积岩是地表母岩经风化剥离或溶解后,再经过搬运和沉积，在常温常压下固结形成的岩石。
沉积岩的特点是，其坚固性除与矿物颗粒成分、粒度和形状有关外,还与胶结成分和颗粒间胶结的强弱有关.从胶结成分看，以硅质成分最为坚固,铁质成分次之，钙质成分和泥质成分最差.常见的沉积岩有石灰岩、砂岩、页岩、砾岩等。
（3）变质岩。
变质岩是由已形成的岩浆岩、沉积岩在高温、高压或其他因素作用下，其矿物成分和排列经某种变质作用而形成的岩石。
应力波和爆生气体共同作用下裂隙区范围研究
应力波和爆生气体共同作用下裂隙区范围研究费鸿禄;洪陈超【摘要】为了得到更加符合实际的裂隙区范围计算公式,从理论上分析研究了在空气不耦合装药条件下裂隙区范围的计算方法.选取2号岩石乳化炸药和4种典型的岩石参数值,对基于初始损伤和粉碎区存在的岩石裂隙区半径进行了计算,并在此基础上运用阿贝尔原理和岩石止裂条件考虑了爆生气体准静态作用下裂隙的二次扩展.研究结果表明:粉碎区范围的大小会对裂隙半径极大值产生较大影响,并且当岩石初始损伤达到0.7 ～0.8时,裂隙区半径受到的影响程度达到最大;得到了应力波动作用和爆生气体准静态作用下裂隙区半径计算公式.%In order to get more realistic formula of fracture zone range,the calculation method was studied theoretically under the condition of non-coupling charging.By applying No.2 rock-emulsion explosive and four kinds of typical rock parameter values,the rock fracture zone radius was calculated based on the initial damage and crushing zone.According to the Abel principle and rock crack arrest conditions,the detonation gas quasi-static crack under the action of blasting secondary extensions was considered.The results show that the size of the grinding zone made great influences on the maximum value of crack radius,and the fracture zone was influenced most when the initial damage of the rock reached up to 0.8 ～ 0.7.Finally,the calculation formula under the stress wave and the quasi-static action of the explosion gas was obtained.【期刊名称】《爆破》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】5页(P33-36,107)【关键词】不耦合装药;初始损伤;爆生气体;准静态;二次扩展【作者】费鸿禄;洪陈超【作者单位】辽宁工程技术大学爆破技术研究院,阜新123000;辽宁工程技术大学爆破技术研究院,阜新123000【正文语种】中文【中图分类】TD235控制爆破技术已经被广泛的应用于矿山、井下采矿等爆破工程中，其中炮孔空气不耦合装药是控制爆破工程当中最常用的装药方式。
岩体爆破损伤现场监测与分析
… ㈣ 爆破地震波属于随机信号 ，是地形 的综 ＿ 、地质条件和爆破方式 ～
图２ Ｘ方 向爆破地震波
合反映 。爆破地震波 的衰减规律一般应用 萨道夫 斯基公 式拟合得 到 Ｋ
和 值 。质点峰值振动速度或者加速度采用各单分 量、还 是各分 量
柱状玄武岩爆破地震波衰 减规律研究现场布置 三分 量速度 传感器监
已形成 了 １ ０ 余种损伤 因子测量方法 。 对爆破损伤有各种定义 ， 一方面 ，
损伤是 由于 材料 内部微 结构的变化而引起 ，可以根据材料 内部微结构 变化 的程度 来定 义损伤 变量 ：另一方面 ，由于材料微结构 的变化而导 可 以用这些 宏观参 量对 材料的损伤进 行定义。因此材料的损伤可 以从 微观和宏观 两个 方面来选 择度 量损伤的基准。 目前 ，在实验室里 ，多 从微 观方面 进行度 量 ，即采用金相学方法直接测量材料 中各种微缺陷
测 。平整传感器埋设位置 ，清 除表面碎块 、粉 尘，清洗干净 ， 用优 质 石膏将传感器牢 固地粘结在地表 。传感器 以近 密远疏 方式布 设 ．Ｚ轴
保持铅直 ，Ｙ轴指 向爆破点 （ 法 向），Ｘ轴指 向径向。传感器埋设后
的矢量和 ，目前在各 国工程界做法不一 。此外 ，毫秒延 时爆破各分段
开展 了爆破试验 。通过测 量各 次爆破 时不同爆心距岩体质点振动速度
和爆破前后声波速度 ， 分 析柱 状节理玄武岩爆破地震波的衰减规律 ， 探寻爆破参数与爆破地震波性质 间的相 互关 系及岩体 爆破 损伤判据。
２ 、 现场监测
爆破地震波 的衰减规律一般监测质点峰值振 动速度 或者 加速度 。
现场 共进行 了 ２ ｏ 次爆破质点振动监测 。柱状节理玄武岩爆破地 震波具 有以下特征 ： （ １ ）爆破试验均采用微差毫秒延 时爆破技术 ，爆破质 点振动监 测点爆 心距 一般小于 ４ ０ ｍ， 各段次爆破波形清晰 ， 波形叠加作用较小。