本文是一篇土木工程论文，本文以钻孔劈裂破岩为研究对象，运用理论分析、室内试验和数值模拟三种研究手段，对完整硬岩的劈裂机理及破岩优化进行探究，推导了受劈裂力作用下岩石内部的应力解析解并揭示了裂缝起裂机制。
1绪论
1.1选题背景及意义
随着我国经济的高速发展，城市规模不断扩大，城市化进程继续加快[1]。在有限空间内城市快速发展，单纯的依靠城市地上空间已不能满足人们的日常需求，故对城市地下空间的开发利用日益增大。许多城市都建设了大量的地下轨道交通来缓解地面交通堵塞等问题，并成为了城市地下空间开发最主要的内容之一。2022年，全国新增城市轨道交通运营线路21条，新增运营里程847 km，城市地下轨道交通正在如火如荼建设中。在这些地下工程施工过程中不乏遇到坚硬岩石的开挖情况，甚至出现局部单轴抗压强度超过40 MPa的岩层，对硬岩的破碎开挖严重影响着地下工程的施工进度。
我国实际工程中应用的硬岩破碎方法主要有爆破法和机械法两大类[2]。其中爆破法在岩石开挖领域应用非常广泛，以炸药作为基本材料，其利用炸药在岩石中爆炸瞬间释放的巨大能量，这种能量释放以冲击波和弹性振动波等方式作用于岩石从而达到破碎岩石的目的。但在爆破法破岩时，瞬间释放的巨大能量又使得该方法具有非常高的不可控性，易使围岩失稳，并且其引起的爆破振动、空气冲击波、有毒有害气体、飞石和噪音等对周围环境产生显著的不良影响，使其使用范围受到一定影响，尤其在城市地下空间开挖中被严格限制。
机械法按其破岩原理可以分为冲击压碎法、铣磨切割法和钻孔劈裂法等。其中冲击压碎法一般是利用液压锤的冲击能不断冲击岩石从而破碎岩石；铣磨切割法一般常用金刚石绳锯进行岩石的切割从而达到分割完整岩石的目的；钻孔劈裂法预先在岩石中钻孔，再利用液压控制的劈裂器或劈裂棒对钻孔壁施加荷载，从而劈裂岩石达到破岩的目的。
1.2劈裂器概述
劈裂器是一种新型劈裂破岩设备，又名劈石机、岩石分裂机和矿石分裂枪等。目前市场上可提供的劈裂器种类繁多、分类方式多样、且名称尚未统一，根据劈裂器的结构和动力特性，可大体将其分为径向劈裂器、轴向-径向劈裂器、柱塞式劈裂器及其他类型劈裂器。本文以径向劈裂器为基础进行相关研究。
（一）径向劈裂器
径向劈裂器是最早研究应用的劈裂破岩设备。该设备一般由液压泵站、控制管路、高压油管、液压缸、中间楔块和两侧反楔等组成，如图1.1所示。工作时，将楔型装置插入预先在岩石中打设的钻孔内，由液压泵站提供超高油压，经过控制管路和高压油管进入液压缸，使得活塞下移，迫使中间楔块与反楔发生作用，实现将轴向力P转换为径向劈裂力F，并对孔壁施加径向准静力载荷，使岩石产生裂缝最终形成贯通破裂面，从而实现破岩作业。径向劈裂器要想达到将岩石完全从岩体中分离至少需要两个及以上自由面，且根据施工要求需不断调整钻孔深度。
2劈裂破岩机理研究
2.2岩石内部应力解析解推导
2.2.1力学模型建立
钻孔劈裂技术是在岩石内部预先打设的钻孔中插入劈裂器，由液压油缸提供超高压油，推动活塞向下运动，其工作部分通过一副楔块组件将轴向推力转变为横向劈裂力，即液压油缸施加轴向力，迫使反楔径向扩张，对孔壁施加径向准静力载荷，使脆性岩石形成裂缝甚至破裂面，最终完成破岩作业，其破岩方式如图2.1所示。
根据劈裂器对孔壁施加径向准静力载荷的实际施工特点，概化出其平面应力状态下的力学模型，即在无限平面薄板内有一圆孔（半径为R），假定板是均匀的、各向同性的以及完全弹性的固体，当孔内沿y轴方向作用一对大小相等方向相反的劈裂力F时，确定无限大平板中各位置的应力，该应力近似于劈裂器作用下岩石的内部应力，其力学模型如图2.2所示。
2.3解析解正确性验证
上一小节对劈裂器作用下岩石内部应力的解析解进行了推导，但推导结果是否正确还需进行验证，在此以圆孔半径为0.05 m、劈裂力为10 kN为例，采用直角坐标表达的解析解（式2.12）与数值解相比对的方式进行验证，其中数值解采用MidasGTS NX软件进行计算，数值模型为以圆孔为中心，边长10 m的正方形，模型边界无约束，如图2.4所示。
由于数值模型的几何形状与施加载荷具有对称性，故选取原模型的1/4进行比对分析，由于距圆孔较远处应力值较小，孔周区域为重点比对区域，故选取第一象限边长为0.5 m的正方形区域内x轴正方向、y轴正方向及其45度对角线方向三条直线上不同节点为比对对象，如图2.5所示。比对方法为，首先在数值计算结果中提取上述比对节点的x、y和xy的应力数值解，其次将这些点的节点坐标代入解析表达式（2.12）中求得其对应的应力解析解，然后将二者进行对比分析。
3 劈裂破岩试验研究 ......................... 31
3.1 岩石物理力学参数测定......................... 31
3.1.1 测试岩样制作 ........................... 31
3.1.2 单轴抗压强度试验 ...................... 32
4 预切槽对破裂面的引导机制研究 ........................ 49
4.1 数值模拟软件简介 .......................... 49
4.2 数值模型的建立 ............................ 50
5 多孔劈裂破岩优化研究 ...................... 59
5.1 方案设计 .......................................... 59
5.2 应力与拉破坏区分析 .................... 60
5多孔劈裂破岩优化研究
5.1方案设计
本模拟假设在大体积完整硬岩中进行劈裂，模型尺寸为长度2 m、宽度1 m的长方形平面应变模型，并在其上钻有两个半径为5 cm的圆形钻孔，且孔口两侧设有宽度为2 mm的预制切槽。模型边界无约束，在两个钻孔竖直方向均施加一对大小相等方向相反的劈裂力。模型的建立及岩石材料物理力学参数的选取与第四章数值模拟相一致。
本次模拟分别建立两种类型的数值模型：（1）固定切槽长度改变孔间距，其中切槽长度选定为10 cm，孔间距依次取40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、和80 cm，不同孔间距数值模型（以孔间距60 cm为例）如图5.1所示；（2）固定孔间距改变切槽长度，其中孔间距选定为100 cm，切槽长度依次取5 cm、7.5 cm、10 cm、12.5cm、和15 cm，不同切槽长度数值模型（以切槽长度15 cm为例）。
6结论与展望
6.1结论
本文以钻孔劈裂破岩为研究对象，运用理论分析、室内试验和数值模拟三种研究手段，对完整硬岩的劈裂机理及破岩优化进行探究，推导了受劈裂力作用下岩石内部的应力解析解并揭示了裂缝起裂机制，基于室内劈裂试验就预切槽对破岩效果的影响进行了研究，并基于数值模拟探究了预切槽对破裂面的定向引导机制及多孔劈裂时的布孔参数，从而为破岩优化提供理论依据，具有重要的理论和实用价值。主要获得如下结论：
（1）在概化劈裂破岩力学模型的基础上，利用弹性力学与复变函数理论，推导出岩石内部应力在直角坐标系和极坐标下的具体解析表达式；利用数值方法进行了解析解与数值解的比对分析，验证了应力解析解的正确性；根据解析解分析了孔边不同方向与不同距离圆周上的应力分布规律；并基于该解析解与第一强度理论，对劈裂破岩时张拉裂缝首先出现在与劈裂力垂直的孔周部位进行了理论解释。
（2）通过常规岩石力学试验，分别测得了花岗岩的抗压强度、弹性模量等基本物理力学性质参数；开展劈裂破岩室内试验，试验表明：预切槽的设置能有效控制裂缝起裂位置、抑制次生裂纹并引导裂缝向着切槽方向扩展，使岩石在预期破裂面处产生裂缝，从而实现岩石破裂面较为准确的定向控制。
（3）劈裂破岩试验还表明：预切槽方向与自由临空面之间的角度组合不同，对破岩效果的影响也不同，预切斜槽因受自由面影响破岩的定向控制性差，预切直槽可取得较好的破岩效果；预切槽长度在引导裂缝扩展和控制破裂面延伸方向上都有着积极的促进作用，长度越大对岩石破裂面的定向控制作用亦越强，越易于获得期望的破裂效果。
参考文献（略）
