›› 2013, Vol. 34 ›› Issue (6): 1775-1785.

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

冲击作用下的压头破岩机制研究

杨岳峰1, 2, 3,梁正召1, 3,唐春安1, 3   

  1. 1.大连理工大学 岩石破裂与失稳研究中心,辽宁 大连 116024;2.福建省建筑科学研究院 岩土与地下工程研究所,福州 350025; 3.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024
  • 收稿日期:2011-11-25 出版日期:2013-06-10 发布日期:2013-06-14
  • 作者简介:杨岳峰,男,1983年生,博士研究生,主要从事地基处理、基坑支护、地质灾害等岩土工程相关的研究工作。
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(No. 51274053,No. 51079017);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(No. NCET-09-0258);全国优秀博士论文专项基金(No. 200960)。

Rock fragmentation mechanism induced by a drill bit subjected to dynamic loading

YANG Yue-feng1, 2, 3, LIANG Zheng-zhao1, 3, TANG Chun-an1, 3   

  1. 1. Center for Rock Instability & Seismicity Research, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China; 2. Institute of Geotechnical and Underground Engineering, Fujian Academy of Building Research, Fuzhou 350025, China; 3. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China
  • Received:2011-11-25 Online:2013-06-10 Published:2013-06-14

摘要: 与静态岩石破碎过程相比,冲击作用下岩石的应力改变具有时间效应,应力波传播过程中表现出压、拉变化。基于损伤演化原理和有限元数值模拟方法,针对冲击荷载作用下的压头破岩机制进行了模拟分析。为排除边界上反射波的影响,黏弹性边界被纳入计算中。首先论证了黏弹性边界在均质和非均质介质中的计算精度,然后分析了冲击作用下不同均质度的岩石以及砂砾岩的响应规律,结果显示:在弹性情况下,压头与岩石接触边缘以及自由面附近是拉应力分布区,接触边缘拉应力最大。剪应力最高值并不位于接触面附近,而是离接触面有一定距离。较均质岩石主要呈现拉伸破坏模式,先出现赫兹裂缝,然后是径向裂缝和侧向裂缝,拉应力的产生成为诱发裂缝萌生和扩展的主因。当岩石均质度较低时,岩石的破坏形式呈现多元化,剪切破坏比重加大,表现为复杂的拉剪破坏模式。对于砾石粒径较大、含量较多的砂砾岩,砾石和基质的非均匀性不可忽略,冲击下破坏模式以绕粒环行和穿粒破坏为主。总体说来,对于岩石类准脆性材料,应力波传播过程中产生的拉应力是失稳的诱发和扩展的关键。

关键词: 岩石破碎, 数值模拟, 黏弹性边界, 砂砾岩

Abstract: Compared with rock fragment by static stress, there is a stress transition from compression to tension in the specimens under dynamic loading, e.g. the compression stress will be changed to tension during wave propagation. Based on damage theory and FE method, rock fragmentation mechanism induced by a drill bit subjected to dynamic loading is investigated. To exclude influence of reflection wave from the boundary, the viscoelastic boundary is considered in the simulation. Firstly, the validation of the viscoelastic boundary in homogeneous and heterogeneous media is examined. Then, the response of rock with different heterogeneities under dynamic loading is analyzed. The results show that: in elastic situation, when the rock is loaded, the area, which locates the edge of contact area between the drill and rock and near the free surface, is the tension sphere, and the highest tension lies in former. The highest shear stress lies near the contact surface but exists a distance. If the homogeneity is high, the rock fragmentation process can be divided into three phases, e.g. Hertz cracks, radial cracks and lateral cracks. As Hertz crack propagation, the stress by confinement becomes smaller; the process of wave propagation is changed and the emergency of tension is the key of crack initiation and growth. When the homogeneity is low, fracture pattern shows a wide spectrum, in other words, shear failure of proportion is increased and the failure mechanism becomes complex. The results are also noted, as the granular rock, if the size and proportion of grain can’t be negative; the homogeneity of grain and matrix should also be considered. When the granular rock is subjected to dynamic loading, the crack can across the grain or along the grain-matrix boundary. In all, the tension stress during the wave propagation is the key of crack initiation and growth.

Key words: rock fragmentation, numerical simulation, viscoelastic boundary, granular rock

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  • O 241
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