爆破地震荷载作用下高密度聚乙烯波纹管动力响应试验研究

为研究爆破地震荷载作用下埋地高密度聚乙烯（high-density polyethylene，HDPE）波纹管的动力响应规律，通过现场预埋管道的爆破试验，结合爆破地震与动态应变等测试手段，分析了爆破地震荷载作用下埋地管道的动力响应特征，研究了管道振动速度及动态应变的分布特征，基于von Mises屈服准则分析评价了管道安全性，提出了爆破振动速度控制标准。试验研究结果表明:试验中管道与地表振速以及管道动态应变随爆心距的减少，随炸药量的增加而增大；爆破地震波振动主频高，管道振动主频高于地表；相同爆破工况条件下，管道上方地表振速普遍大于管道振速；管道截面背爆侧峰值轴向应变以拉应变为主，迎爆侧峰值环向应变以压应变为主；本试验管道安全控制振速可取20 cm/s，此时管道处于安全状态。     

爆破地震荷载作用下承插式HDPE管道动力失效机制

承插式管道接口更易受到外界荷载破坏导致管道失效,为保证爆破开挖过程中邻近承插式高密度聚乙烯（high-density polyethylene,HDPE）波纹管道的安全运营,控制爆破振动荷载对管道的影响是重点关注内容。通过全尺度预埋单段HDPE波纹管道现场试验,得到管道的振动速度和动应变响应数据,结合LS-DYNA数值模拟软件分别建立了无承插接口管道与含弹性密封圈的承插式HDPE波纹管道;利用现场试验数据验证了无承插口管道模型参数的可靠性,并对比分析了承插式管道的结构位移、振动速度、有效应力的响应规律与失效机制;结合现行规范,根据管道响应规律与接口允许旋转角度计算得到了承插式管道的安全振动速度。研究结果表明:有承插口管道的合振速、合位移和有效应力大于无承插口管道;在同一截面上,有承插口管道迎爆侧的合振速和有效应力更大,而最大合位移出现在截面的背爆侧;管道合位移与合振速在轴线中心处截面最大,并向两端不断减小,有承插口管道中心合位移更大;通过接口允许旋转角度得到此类工况条件下的承插式管道的安全振速为24.77 cm/s。     

高饱和黏性土中爆炸波作用下直埋钢管（空管）动态响应

设计和实施了系列爆炸波作用下钢管的动态响应实验，获得了管道应变、振动速度和加速度及地表振动速度的时间历程。分析实验数据可知:在爆炸波近中场，峰值应变大小同管土相对刚度因数负相关，并随比例距离呈幂函数形式衰减，且在爆炸波不同分区衰减指数不同；地表峰值粒子速度、各管的峰值振动速度和测点峰值应变之间具有良好的线性关系。对各测试量做FFT (Fast Fourier Transformation)频谱分析得:振动信号主要集中在低频段，质心频率在10～60 Hz范围内，频谱同天然地震波谱有明显差异，动应变谱质心频率随药量增加亦呈幂函数形式衰减；考虑了爆腔因素以后，管道和地表振速频谱的质心频率和比例距离取对数后具有线性衰减关系。实验所得数据可应用于相似条件下管道的抗震计算，一些结论可作为深入研究爆炸波作用下埋地管道冲击振动机理的依据。     

高饱和黏土中爆炸波作用下直埋聚乙烯管的动力响应

为了解决爆破作业对近距离埋地管道的安全评估问题，对高饱和粘土中爆炸波作用下聚乙烯(polyethylene, PE)管道进行了一系列管道动态响应的原型实验，得到了不同药量下管道动应变、动压力的实验数据和管体及地面的振速数据。实验结果表明:PE管动应变峰值同比例距离具有良好的幂函数衰减关系，在6～11 m/kg1/3比例距离范围内，PE管的环向峰值应变衰减指数（绝对值）比轴向峰值应变衰减指数大；管道动态响应的主振频率略高于土体的主振频率，两者在同一量级，管道合成速度衰减指数大体和管道轴向应变衰减指数相当；压电陶瓷片所测得的电压信号和同测点的应变变化率信号具有较强的相关性。高饱和黏性土由于含水量较高，近距离柔性PE管因受到局部冲击会产生较大的环向应变，管道安全计算时应充分考虑这一因素；随着比例距离的增大，环向应变水平降低，轴向应变水平相对增强；压电陶瓷片因为具有良好可靠的动态性能，作为埋地管道现场监测的技术手段值得采用和推广。     

椭圆形桩井护壁爆破振动安全判据

钻爆法作为桩基开挖的主要破岩手段,所产生的爆破振动引起桩井护壁结构发生动态响应,进而影响桩井结构的稳定性。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA3D,以峰值质点振动速度和有效拉应力作为指标,模拟了椭圆形桩井护壁结构对爆破振动的动态响应。计算结果表明:不同掘井深度的椭圆形桩井护壁对不同段药量爆破振动的动态响应呈相似规律,最大质点峰值振速及峰值拉应力分布一致,均位于护壁井口端的弧形壁部分,响应强度随段药量的减小而减小;护壁结构的峰值拉应力与峰值振速呈线性关系,基于抗拉强度准则,确定了该工程条件下护壁的安全振动速度阈值为8 cm/s,现场测试验证了预设判据的合理性。     

基于等效路径的爆破地震波衰减规律

针对露天矿山台阶爆破地形和地质条件的复杂性, 分析了地形对爆破地震波传播路径的影响, 提出了等效路径及等效距离两个概念。同时考虑岩石波阻抗和岩体的完整性系数及最大一段装药量与炸药的定容爆热等因素的影响, 构建了露天台阶爆破地震波地表质点振速峰值随等效距离衰减的表达式。通过矿山爆破震动监测检验, 发现用该公式预测地表质点振速峰值, 能够适应实际地形和地质条件的变化, 预测结果的准确性显著高于萨氏公式, 表明该公式较好地反映了质点振速峰值沿等效路径衰减的基本规律, 为台阶爆破地震波质点振速峰值预测提供了一种新方法。     

地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性研究

基于地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性现场试验，考虑爆破荷载的不规则特性，采用基于非对称加卸载准则的修正Davidenkov本构模型描述场地土体的动力非线性特性；通过改进Friedlander方程来模拟内源爆炸在圆柱形炮孔表面产生的瞬态空气冲击波；实现了包含毫秒延时爆破荷载输入和有限元-无限元耦合边界的地层-爆源体系三维精细化有限元模型，并与现场实测数据对比验证了该模型方法的有效性。对50 ms延时爆破和齐爆引起的环境振动特性进行了数值模拟，对比发现毫秒延时爆破不仅可以有效降低地表峰值振速，而且可以显著改变地表振动的频谱特性。毫秒延时爆破产生的地表振动频带较集中，对分散爆破振动能量的作用显著，且地表速度响应的主频较高，远离建筑结构自振频率，可显著降低爆破施工引起的邻近建筑物的结构振动水平。     

毫秒延时爆破等效单响药量计算及振速预测

毫秒延时爆破存在同段雷管离散及分段振波叠加效应,对单响药量取值及质点峰值振速的预报带来极大困扰。设计开展毫秒延时爆破试验,建立群孔齐发爆破振速的计算模型,研究并构建炮孔数目对齐发爆破等效药量影响及其取值方法;并基于单孔爆破回归分析结果,提出修正的质点峰值振速与比例距离关系公式。结果表明,群孔齐发爆破等效药量比名义单响药量小,可利用缩比系数和折算炮孔数目进行计算,缩比系数随炮孔数目增加呈指数形式衰减;修正的质点峰值振速与比例距离公式引入的振波叠加因子可反映振波叠加对速度的影响,依据该公式计算得到的质点峰值振速预测值与实测值间平均绝对误差、平均相对误差及均方根误差分别为0.05 cm/s、9.52%、0.059 cm/s,用于现场爆破振动预测切实可行。     

小净距下穿铁路隧道爆破震动的响应研究

新建翠华山隧道与既有线小峪隧道垂直净间距仅为8m,复线隧道钻爆施工将影响既有隧道的结构安全。为保证既有线的安全运营,本文采用 ANSYS/LS-DYNA 软件建立了隧道的有限元模型,数值分析了下穿铁路隧道爆破施工时隧道间水平距离 L 为-6m～19m 时既有线的动力响应。结合既有线振动速度的实测数据,采用质点振速判据评估了下穿隧道爆破施工时既有线结构的安全性,保障了下穿隧道施工时既有隧道的运营安全。数值模拟结果分析表明：未出现新的自由面之前、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距 L 从19m 减小到10m 时,数值模拟所得峰值振速由10.5cm/s 增大到12.0cm/s;出现新的自由面之后、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距 L 从10m 变为5m 时,数值模拟所得峰值振速由12.0cm/s 减小到10.2cm/s,其后迅速衰减。因此,隧道爆破施工中可人为地创造自由面以降低爆破震动效应的危害。同时,既有线隧道迎爆面测点竖向振动速度较大,是爆破震动效应控制的薄弱部位,施工过程中应加强该部位的监控量测。     

基于正态分布的爆破振动评价与安全药量计算

工程爆破是非常重要的一种施工方法，但同时爆破引起的岩石振动也是爆破公害之一。由于爆破场地的复杂性，爆破地震引起的某位置质点振速峰值v与单段最大药量Q、爆心距R没有严格的函数关系，只能将振速视为随机变量，因此振动只能从概率的角度来描述。为了控制振动强度，达到较高的可靠度，必须计算振速小于目标设施安全振速的概率。本文中基于概率，将振速峰值近似视为服从正态分布，对目标设施进行安全分析以及安全炸药量计算，最后通过案例应用，解释概率公式计算炸药量的合理性。     

粉质黏土层预埋承插式混凝土管道对爆破振动的动力响应

为合理评价临近爆破施工振动作用对预埋在粉质黏土层承插式混凝土管道的影响，通过现场预埋多管节全尺寸管道的爆破试验，结合DH5956动态应变及TC-4850爆破振动等测试系统，研究了爆破振动作用下承插式混凝土管道动力响应特征，分析了管道管身及承插口动应变及振动速度空间分布规律；基于承插口允许转角规范及管身动态拉应变破坏准则，提出了承插式混凝土管道爆破振动速度安全判据。研究结果表明:爆破振动作用下管道管身及承插口之间存在不协调响应特征；爆破振动作用下管道承插口为管道最薄弱位置，爆破振动对承插式混凝土管道的影响应重点考虑承插口的失效；承插式混凝土管道爆破振动速度控制阈值为5 cm/s，结果可对类似地层中承插式埋地混凝土管道的保护起指导作用。     

浅埋高压输气管道爆炸地面振动的原型试验与数值模拟研究

针对浅埋高压输气管道爆炸产生的地面振动效应，采用现场试验结合数值模拟的方法展开研究。组织实施了全尺寸天然气管道爆炸试验，掌握了高压输气管道爆炸地面振动的量级范围以及衰减规律。经试验数据分析得到，埋地高压天然气管道爆炸造成的地面振动主要产生于物理爆炸过程中，随后发生的天然气爆燃过程并未产生明显的地面振动。基于非线性有限元程序 LS-Dyna建立了高压输气管道爆炸试验计算模型，计算结果与试验现象吻合较好，验证了模型参数设计的合理性。进一步分析了管道爆炸瞬间管内气体-管壁-土体的相互作用机理、应力分布以及裂纹扩展规律。由计算结果分析得到，管道开裂是由于内部高压气体推动管壁向两侧扩展在裂纹尖端处形成了应力集中，管壁冲击土体的速度可达50 m/s，冲击产生的塑性状态向远处传播逐渐衰减为弹性应力波，即形成了地面振动效应。研究成果揭示了高压气体管道爆炸地面振动的主要成因，可为爆炸事故振动预防提供理论参考和技术支持。     

深孔微差爆破震动预报浅析

以深孔爆破的单孔装药爆破震动测试为基础，得到单孔装药爆破的样本函数，并通过系统随机脉冲下的响应分析建立了模拟深孔微差爆破震动波形合成的模型，通过试验和模拟探索用单孔装药爆破的样本函数来预报深孔微差爆破震动波形及峰值的方法。     

边坡抛掷爆破峰值质点振动速度的无量纲分析

为研究边坡抛掷爆破振动波传播过程所诱发的地表质点振动情况，运用量纲分析理论构建考虑高程影响的振动峰值速度公式，在此基础上依据边坡抛掷爆破模型将炮孔药包划分为无数微元体进行积分运算，最终得到边坡抛掷爆破振动峰值速度公式。结果显示，同一地理环境和爆破工艺条件下，峰值速度主要由炸药性能、装药深度、测点与爆源间距以及爆破作用指数所决定。同时对某边坡爆破现场进行试验测振，将实测峰值速度数据分别代入萨氏公式、3个常用萨氏修正公式以及通过无量纲理论推导出的速度公式进行非线性回归运算，得到坡表面实测值与各峰值速度公式预测值之间平均误差分别为32%、34.25%、29.58%、39%和7%，坡体内实测值与各峰值速度公式预测值之间平均误差分别为27.63%、23.5%、16.88%、33.889%和13.25%。     

Structural strength: Gasketed vs non-gasketed flange joint under bolt up and operating condition

This paper presents results of an experimental study of the behaviour of the stress variation at the flange of a gasketed and non-gasketed flanged pipe joints during both the bolt up (pre-loading) and operating (internal pressure loading) conditions. Stress variations showing flange yielding, flange rotation, effects of joint tightening sequence, identification of the mode of response to loading (static or dynamic) is discussed. In addition the effects of re-tightening, importance of high quality bolting with proper surface treatment and use of proper tooling are also discussed.     

下穿铁路隧道爆破振动衰减规律研究

基于Heelan短柱药包理论,引入等效作用半径的概念,得到内部瞬时激励荷载作用下爆破峰值振动速度的衰减模型方程,并通过量纲分析进行验证。结合下穿隧道爆破工程,研究不同雷管段位及不同炮孔类型对应的爆破峰值振动速度的衰减规律。此外,讨论球形装药、柱状装药条件下改进公式的药量形式表达式,结果显示,利用等效作用半径作为拟合参考变量可以综合考虑不同雷管段位及不同炮孔类型对爆破振动规律的影响。统计数据表明,利用改进公式得到的拟合效果最优,可以为类似隧道爆破振动研究提供参考。     

超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研究

为提高超临界CO₂气爆低渗透煤层增透技术的应用水平,进一步研究超临界CO₂气爆煤体致裂机理,利用自主研发的超临界CO₂气爆装置,在多通道电液伺服相似材料试验台上,对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行了超临界CO₂气爆实验,用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息,并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知,距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区,其形成机理为:超临界CO₂冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波,介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏,形成粉碎区;应力波传播能量逐步衰减,不足以使介质产生压缩破坏,然而脆性材料抗压不抗拉,其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙,应力波之后具有准静态加载作用的高压CO₂气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙进一步发育和扩展,形成裂隙区;裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动,未发生明显破坏,即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”形曲线衰减,裂隙的高速扩展发生在粉碎区,低速扩展发生在裂隙区;距离气爆孔越远,测点的峰值应变越小,相同距离内节理裂隙等结构面越复杂,峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。