受动静载荷作用刀具破岩断裂力学分析及数值模拟

论文摘要

机械岩石破碎工程在矿山开采、地铁修建、隧道施工等工程领域发挥着越来越重要的作用。目前,在各类工程实践中,广泛采用机具来破碎岩石,但由于机具破岩机理的复杂性,特别是复杂应力条件下岩石的破坏机理问题,是广大岩石力学与破碎工程工作者必须研究的课题。由于岩石内部存在大量的节理和裂隙,它们的存在大大地改变了岩体的力学性质,直接影响着岩石的破裂过程及破碎效能。本文结合国家自然科学基金(编号:50974059),基于裂隙岩石受单一静载、动载及动静组合载荷破岩进行理论分析和数值试验研究。在总结分析单一静态和动态破岩特征的基础上,建立了单一裂纹在动静组合荷载作用下的力学模型,应用断裂力学对含预制裂纹岩石在单一静载、动载及动静组合载荷作用下的力学响应进行了分析,得到动静组合条件下裂纹尖端的应力强度因子以及含预制裂纹岩石的断裂判据。分析了加载方式、刀头尺度、刀头形状对破岩的影响。针对三种不同的加载方式,静载破岩时刀具对岩石的破坏范围比冲击载荷要广很多,动静组合载荷破岩时面积比单一的静载或动载都要大;不同长度刀具产生的破碎效果不同,当刀具的长度为裂纹长度的一半时破碎体积最大,破岩效果最好;得到集中力刀头、圆锥刀头、球形刀头在单一静载条件下岩石的破碎特点。采用FLAC3D对含预制裂纹岩石在单一静载、动载及动静组合载荷作用下岩石破碎过程进行了数值模拟。结果表明:静载下含预制裂纹的岩石与完整岩块相比,破坏过程极其相似,但其临界强度大大降低。受载岩石的预制裂纹的端部易引起应力集中,裂纹呈翼型扩展,最后形成劈裂破坏。动载下的破坏过程和静载相比具有明显的区别。动静组合加载条件下,加动载的时机对岩石破碎体积起着很重要的作用,预加静载荷使岩石发生体积破碎之后再施加冲击载荷,此时岩石破碎效果最好。数值模拟的结果和前人研究的单一静载荷或冲击破岩试验成果基本一致,从而验证了数值模拟的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机械破岩方法及其分类
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 岩石破碎力学基础研究现状
• 1.3.2 动、静载荷破岩理论及实验研究现状
• 1.3.3 数值模拟技术研究现状
• 1.4 研究内容和方法
• 1.5 研究课题的意义
• 第二章 动静态组合条件下刀具破岩断裂力学分析
• 2.1 概述
• 2.2 岩石的破坏机理
• 2.2.1 宏观破坏机理
• 2.2.2 微观破坏机理
• 2.3 受动静载荷刀具破岩的理论分析
• 2.3.1 受静载荷作用刀具破岩的断裂力学分析
• 2.3.2 受冲击载荷作用刀具破岩的断裂力学分析
• 2.3.3 动、静载荷组合作用刀具破岩的断裂力学分析
• 2.4 动静组合载荷下断裂应力强度因子分析
• 2.5 小结
• 第三章 动静态组合条件下刀具破岩的影响因素分析
• 3.1 概述
• 3.2 加载方式对岩石破碎的影响
• 3.2.1 静载荷加载对岩石破碎的影响
• 3.2.2 动载荷加载对岩石破碎的影响
• 3.2.3 动静载荷加载对岩石破碎的影响
• 3.2.4 动静载荷耦合凿入力产生的应力场分析
• 3.3 刀头尺度对岩石破碎的影响
• 3.3.1 数值软件介绍
• 3.3.2 刀头尺度的数值模拟及分析
• 3.3.3 刀头尺度对岩石破碎的影响分析
• 3.4 刀头形状对岩石破碎的影响分析
• 3.4.1 集中力引起的应力场分析
• 3.4.2 球形刀头的应力场分析
• 3.4.3 圆锥刀头的应力场分析
• 3.5 小结
• 第四章 动、静载荷及动静组合作用下岩石裂纹断裂扩展的数值分析
• 4.1 概述
• 4.2 静载荷作用下岩石裂纹断裂扩展数值分析
• 4.2.1 岩石试样模型
• 4.2.2 模型网格的划分
• 4.2.3 加载与求解
• 4.2.4 结果分析
• 4.3 动载荷作用下岩石裂纹断裂扩展数值分析
• 4.4 动、静组合载荷作用下岩石裂纹断裂扩展数值分析
• 4.5 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 存在问题及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录Ａ：攻读硕士学位期间的主要研究成果