本文是一篇土木工程论文，本文在前人数值实验研究基础上，根据其相关参数设计脉冲压力曲线并确定荷载规模，在一定荷载规模的前提下结合相关参数构建岩体试件的有限元模型，使用LS-DYNA软件进行计算模拟其破岩效果。
1绪论
1.1研究背景及意义
随着我国工业经济蓬勃发展，城市化进程不断加快，许多国家重大工程需要人为改造岩体结构，使岩石破裂才能创造经济价值进而满足实际工程需求。譬如在石方开挖、建（构）筑物拆除和油气藏开发等领域的施工过程中，对破岩原理和技术的需求日渐增多。不同的破岩手段所产生的破岩效果不同，工程领域的岩石破裂改造技术总体而言分为爆破法和非爆破法两种。
爆破法破岩可以达到整体破碎的要求，其中最早采用的技术手段为化学爆破法[1]，但精确度欠缺，且化学炸药中残留的有害物质因其具有潜在的引燃性，对瓦斯、可燃粉尘以及哑炮等构成安全隐患，故在国内受到严格的监管和限制，以确保使用过程中的安全性。传统“钻爆法”在施工过程中不可避免的会带来噪声、飞石、扰动等灾害，威胁人民生命财产安全[2]。针对有些不宜采用剧烈爆破的工程，通常采取非爆破法进行，但均存在一定程度的局限性。非爆破法包含水力压裂法[3]、静态膨胀剂法[4]、液态CO2相变法、荷载脉冲技术[5]等。其中水力压裂技术作业成本低、地层伤害小，但其压裂液和返排液使用不当会造成环境污染问题[3,6]；化学膨胀剂法的开裂效果明显且振速易于控制，但材料成本高昂[4,7]；液态CO2相变法破岩效率高、增产效果好[8]、绿色环保、振动小[9]，但CO2的相行为十分复杂多变难以实现准确的预测和控制[10]。
不同致裂方式的压力时间历程曲线如图1-1所示[11]。相比爆破致裂和水压致裂，荷载脉冲致裂作为一种纯物理破岩方式，利用高压气体脉冲产生的膨胀能量，冲击应力峰值介于前两者之间[12]，能够适用于各种作业环境，具有易控制、成本费用低等优势[13]，且避免了危险、污染和效率低的问题。随着全球工业经济的迅猛增长和土地资源的高效集约利用，许多工程领域对破岩的应用需求呈现持续增长的趋势，不同破岩效果的需求决定着破岩方法和应用场合的选择。
1.2国内外研究现状
1.2.1脉冲破岩技术研究
脉冲破岩技术作为实际工程中应用范围最广、效果最佳的破岩手段，在国内外一直广受专家学者的欢迎，同时也是目前最流行的破岩技术手段之一。脉冲破岩技术一般分为爆破法和非爆破法两大类，这两类方法特点不同各有利弊且适用的场景各有不同。
爆破法破岩通常讲究工期短、效率高，其中典型的钻爆法施工的工程范围跨度大、地表沉降复杂程度高[30]，由于冲击效应强因此带来的缺点显而易见，围岩条件差、对地层多有扰动，损失量较多，扬尘噪声等污染也不可避免。非爆破法破岩最早起源于二十世纪七十年代左右，它涉及的手段相对比较广泛，由于其具备独特的振动小、无飞石、污染程度低以及安全性高等显著优势，该技术在市政工程、道路开挖、高危矿山开采、开山采石以及复杂环境下的破岩工程等多个领域得到了广泛应用，并受到了业界的青睐[31]。其中包括机械类破岩法、物化做功类破岩法、电气设备类破岩法、高压气体脉冲法等四类，机械类破岩法是在人工破岩之后起源和应用最早的破岩手段，它操作简单、安全性高，目前液压劈裂机[32]、液压破碎锤[33]、掘进机[34]等均为机械破岩法的衍生器械，但是对于大多数优等破岩器械均需从国外进口。物化类破岩主要指的是采用专用化学试剂在一定条件下发生物化反应致使岩体碎裂，例如静态破裂剂、金属燃烧剂、液态CO2等，这种方法导致裂纹扩展速度和加速度的变化基本是呈现先增加后降低再增加的变化趋势，裂纹的萌生、扩展到最后的失稳过程非常明显[35]。除土建施工类爆破之外，等离子体[36]、热力劈岩[37]等电气设备类的爆破方法可以使岩体周围产生高温高压，迅速形成冲击波进而使岩石破裂，此种方法在国内并不常见但却是解决硬岩破岩的有效途径。
2破岩脉冲特征分析及脉冲曲线设计
2.1破岩脉冲特征分析
在荷载脉冲破岩技术的深入研究中，已有多项实验数据和研究[11]表明不同的破岩方法会显著影响压力时间历程曲线的形态，特别是当考察不同脉冲特征时，这些特征下的压力曲线展现出多样的形态和分布特性。
针对高压气体环境中毫秒级的持压时间这一因素，气体脉冲往往集中在短暂的时间段内产生作用。升压速度，即压力增长速率，与整体持压时间和压力峰值到达的时刻紧密相关，在高斯函数模型中主要受到变量tmaxi的影响。当脉冲荷载达峰值时，岩体往往会遭受一定程度的损伤或破坏，在高斯函数模型中参数Pmaxi用于描述这一压力峰值，而曲线的平滑度则通过系数𝐴𝑖进行调整，以确保其符合高斯脉冲曲线在时域上的平滑性特点。
在高压气体脉冲的拟合研究中，多种方法均显示脉冲特征的荷载规模P与时间t之间存在紧密关联。鉴于岩石矿山作业的特定条件，结合高斯波和最小二乘法能更为精确地模拟脉冲曲线[69]。高斯波引发的颗粒振动及其速度-时间变化特性，准确反映了工程实际开挖过程中钻孔周围颗粒振动加速度的实验观测结果，并通过数值模拟得以验证。这些特性对开挖爆破孔周围的高斯应力波分布产生了显著的应力波效应，为深入理解爆破动力学过程提供了重要依据[70]。除此之外，通过精准控制微差延时，可以有效调节高斯应力波的传播特性，进而设计出符合工程应用需求的脉冲压力曲线，为工程实践提供有力支持[71]。因此，本文基于高斯分布函数设计模拟钻孔内的脉冲压力曲线及荷载规模大小
2.2脉冲压力曲线设计方法
为适应不同荷载脉冲的特异性，瞬态冲击试验需精心设定多样化的升压速度、压力峰值及持压时间等关键参数，旨在深入研究高能气体对材料的冲击致裂效应。为简化试验设计的复杂性并实现对脉冲压力特性的精确控制，同时确保试验中各参数间的独立性，本研究采用高斯公式作为设计压力曲线的数学工具。通过微调不同参数，能够清晰、精确地展示压力曲线的具体变化细节，为深入探究材料在瞬态冲击下的响应机制提供有力支撑。
根据文献[72]中所描述将实验冲击过程简化后构建的数值模型，在瞬态试验条件下，设定前期入口初始压力为0.4MPa，导气管道的长度为225mm、直径为4mm，同时钻孔深度为93.6mm、直径为7mm。在此设定下，钻孔内气体的速度变化如图2-2所示。在导气管道出口位置，观察到气体的冲击速度持续增大，直至达到最大速度460m/s。随后，当气体冲击钻孔壁面时，其速度逐渐减小。在钻孔底部距离壁面10mm的位置，气体的最大速度约为230m/s。整个速度变化过程呈现出多峰值的脉冲特性，其中本文主要聚焦于首个速度峰值的变化进行详细分析。
3 破岩试验数值模型建立与验证 .......................... 21
3.1 问题提出及模型简化描述 ............................... 21
3.2 数值模拟平台及 LS-DYNA 算法介绍 ........................... 22
4 不同脉冲特征下试验结果分析 ............................ 35
4.1 不同持压时间下的试验结果分析 ....................... 35
4.1.1 不同持压时间下的脉冲曲线设计 ............................. 35
4.1.2 模拟结果 .............................. 36
5 破岩效果评价分析 ............................. 45
5.1 岩石破坏定量表征评价方法 ............................. 45
5.2 岩石损伤演化规律 ....................... 46
6破岩效果应用实例分析
6.1不同脉冲特征参数下破岩效果应用
6.1.1不同持压时间下的破岩效果应用分析
在荷载脉冲破岩过程中，高压气体展现出多样化的脉冲特性，包括缓慢膨胀和剧烈冲击，这些特性直接影响致裂效果。针对不同应用场景，如土石方开挖、煤矿开采等，需精确控制高压气体的作用压力以实现预期破岩效果。特别是在高强度作业中，高压气体的作用压力和速度需达到较高水平以确保破岩效率。因此，高压气体脉冲曲线的精确控制对破岩作业的高效安全至关重要。
根据对不同持压时间影响因素下的试验结果对比，列举了分别从破岩效果、评价方法和适用场景角度分析试件模型的破裂效果应用，见表6-1至6-3所示。
7结论与展望
7.1主要结论
本文在前人数值实验研究基础上，根据其相关参数设计脉冲压力曲线并确定荷载规模，在一定荷载规模的前提下结合相关参数构建岩体试件的有限元模型，使用LS-DYNA软件进行计算模拟其破岩效果。主要结论如下：
（1）通过高斯拟合和欧拉方程，可以将荷载规模控制在一定固定水平。在设计脉冲压力曲线过程中，根据高斯函数通过控制tmaxi和Si可控制整体脉冲峰值的时间位置和脉冲持压时间，引入中间量动量p(t)来确定荷载水平。在高斯拟合得到关于时间t的函数v(t)函数之后，即估计了在不同时间点t下流体的速度v。使用欧拉方程将v(t)代入其中，可得到某时间段内关于时间t的函数Δp(t)，即可计算在不同时间点t下流体的压力变化Δp，即压力变化-时间曲线Δp(t)。
（2）在同一荷载水平下掌控不同脉冲特征对试件破坏的效果不同。对于在不同持压时间长短、升压速度高低和荷载峰值大小等因素的影响下，试件均发生破裂但破裂效果均有不同。随着整体持压时间的增加，试件的破坏趋向于发展长裂缝，破坏效果越明显；升压速度的不同试件的破碎区大小会有明显差异，且升压速度和持压时间两因素相互影响所以带来的破坏
