循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化的模型实验

针对推进式循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化问题,按照相似比理论进行模型实验研究,实验模型采用1:15比例浇筑制成。通过模拟隧道推进式循环爆破开挖方式,以同一测点处爆破前后岩体声速变化评价隧道围岩损伤程度,探寻爆破参量变化对振动效应的影响,探索围岩损伤演化与爆破次数之间的关系。研究结果表明:在最大段药量大致相同情况下,起爆段数对萨道夫斯基公式的介质系数K影响很小,而对萨道夫斯基公式的衰减系数α影响较大;隧道在推进式循环爆破开挖下,同一深度距离爆区相同的测点,其声速降低率存在较大差异,围岩的爆破损伤范围在深度和广度方面均具有典型的各向异性特征;当爆炸参量基本相同时,不同循环爆破开挖下测点的累积声速降低率呈非线性增长趋势;在推进式循环爆破加载下,围岩爆破累积损伤量D与爆破次数n之间存在非线性演化特性,不同的测点具有各自的爆破累积损伤扩展模型,距离爆源越近爆破损伤扩展越快,围岩爆破累积损伤效应具有典型的非线性演化特性和各向异性特征。     

爆炸冲击载荷作用下岩石的损伤实验

基于声波测试原理,利用RSM-SY5智能型声波仪,对某露天矿围岩在爆破冲击荷载作用下产生的损伤进行了现场实验研究。研究结果表明:爆破冲击荷载对距离爆源7 m范围内的岩石会造成损伤破坏,其损伤程度随着岩石与爆源距离的增大而减小;岩体声波速度随着爆破次数的不断增加而逐渐降低,多次爆破对岩石具有损伤累积效应;多次爆破的累积损伤不是单次爆破损伤的简单叠加,具有非线性特性,且距离爆源越近爆破累积损伤效应越明显。     

顺层岩质边坡爆破的振动控制及损伤特性

为了更好地了解顺层岩质边坡爆破开挖时振动速度的传播规律以及坡体的损伤程度,以云南省普宣高速公路顺层边坡爆破开挖为工程背景,利用声波测试结合监测点振动速度的方法,获取坡体不同深度的声速变化及不同位置的振动速度,分析不同药量下单次和多次爆破的坡体损伤范围以及振动速度的衰减规律。研究表明,爆破区任意点的振动速度与损伤深度存在对应关系:对单次爆破,振动速度与损伤深度呈线性关系,而对多次爆破,振动速度与损伤深度呈非线性关系;以声速降低率10%作为损伤界限,并作为爆破控制时,单次爆破对应的临界振动速度为11.54 cm/s,损伤半径为5.57 m;,基于首次爆破的多次爆破临界振动速度为24.20 cm/s,最大损伤半径为7.56 m,并由萨道夫基公式得到2种方式的最大起爆药量。     

多层复合壁构筑物水压爆破药量计算及应用

根据水中爆炸荷载的特点,应用能量准则和声学近似公式,计算出水压爆破作用于构筑物每层壁的等效静载。以声波在各层介质中传播时波速的加权平均值作为构筑物的平均声波波速,计算出结构自振频率。再考虑构筑物的强度和动力特性,以及预期的破坏程度,把每层介质假设为一独立的构筑物,提出了多层复合壁构筑物水压爆破药量计算的模型,并列举了工程实例。     

冲击回波法对混凝土内部损伤检测的试验研究

通过预加荷载给混凝土试件内部引入一定程度的损伤,分别测量了损伤前后试件内部弹性波的传播速度以及抗压强度,探讨了弹性波波速的降低程度与抗压强度劣化之间的关系。研究表明:在MEM卓越周期图中,主要峰值数量增加和底部边界面反射信号周期加长可作为判别损伤产生的依据;弹性波波速与混凝土内部的损伤程度具有很好的相关性,混凝土损伤程度越大,波速降低值越大;弹性波波速降低程度与抗压强度劣化之间具有线性相关性。根据试验数据拟合出了线性方程。说明采用冲击回波法对混凝土内部损伤程度检测是可行的,在混凝土结构的可靠性与安全性分析方面具有广阔的应用前景。     

影响大黄鱼的水中声指标

为了明确有效地评价声波对大黄鱼影响的指标,以水下爆破和滨海山体爆破两种作业方式产生的水中声波数据为基础,进行声波信号的声压峰值和声暴露级分析,并结合现场大黄鱼的行为响应进行研究。结果表明:水下爆破产生的水中声波瞬态声压幅值较高,能量在瞬间累积到最大值并影响大黄鱼的行为和安全;而滨海山体爆破水中声波的声压幅值小,声暴露时间长,能量的连续累积造成了大黄鱼行为的改变。由于两种爆破方式作用下的水中声波在不同的声暴露时间内的声暴露级较接近,且超过150 dB会造成大黄鱼的行为异常,因此认为声暴露级是评价水中声波对大黄鱼影响的一个重要指标。     

多次冲击荷载作用下花岗岩动态累计损伤特性

利用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,对花岗岩进行多次循环冲击压缩试验,并结合岩石声发射监测研究花岗岩在动态冲击下的累计损伤特性。利用超动态应变仪获取的波形信号分析试样中的纵波通过时间,进而计算岩石的应力波波速,并利用花岗岩应力波波速的变化来表征试样在循环冲击过程中的损伤特性。通过分析试样每次加载过程中的能量变化,发现多次冲击加载过程中的岩石损伤量变化程度与试样在单次加载过程中的吸收能大小有关,试样的吸收能越大,花岗岩冲击后的损伤变化量越大。花岗岩在多次冲击加载过程中的动态抗压强度随着冲击次数的增多而减小,但随加载应变率的增大而增大。基于冲击加载过程中的应力时程曲线及声发射信号特征,发现声发射事件峰值计数随着加载次数的增多而增大,表明花岗岩在多次冲击过程中新生裂纹在逐渐增多,花岗岩在每次加载过程中的声发射事件峰值点位于试样应力峰值点附近,且其在动态冲击下的声发射事件具有突发性,前兆信息不明显的特点。     

爆破引起地面震动及其衰减规律

工业爆破引起的基岩或土体的震动,对爆区周围建筑物的危害影响,是爆破安全的一个重要课题。但是现在还没有完善可靠的计算方法,计算各种爆破震动的大小以及对一般建筑物的安全距离。作者在最近几年中的各种爆破过程,测量了爆源不同距离的基岩和土层质点振速的三个分向量,用最小二乘法整理分析了速度、药量和距离之间的关系,所得实验公式和规律,可供工程爆破设计参考。     

基于雷管实际延时范围的逐孔爆破振动合成计算与应用

计算多段微差起爆合成振速对城市隧道低振速爆破设计具有非常重要的意义，因普通雷管实际每段都有延时误差，这些误差对低振速指标下微差合成振动影响不能忽略，但各段延时范围将形成海量的多孔微差合成振动曲线导致难以计算。为解决这一问题，将现场单孔爆破曲线作为震源波形，利用傅里叶级数拟合曲线，根据实测各段雷管延时范围特点，采用多级循环嵌套的逻辑语言编写MATLAB计算程序，成功获取8段微差爆破全部可能的合成振动曲线；分析了同段延时误差、不同段之间延时误差对爆破合成振动的影响；以计算合成振动曲线和实测爆破振动曲线对比判定第二临空面形成时间；计算其形成前各段延时范围内所有可能振动曲线后，选择峰值振速不超标的最大药量为设计掏槽药量。在某隧道工程应用表明:第二临空面出现在60 ms，在1.0 kg设计药量下最大计算合成振速0.62 cm/s，与现场实测值吻合较好。     

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。     

Dust pollution during shotcrete process in high-altitude tunnel based on numerical simulation

The surrounding rock needs shotcrete support after drilling and blasting excavation in the tunnel; the high concentration of dust generated in the process will endanger workers’ occupational health. Therefore, to ensure the cleanness and safety of the tunnel construction process, a full-scale model of the tunnel was established based on field data of a high-altitude tunnel of the Sichuan-Tibet railway. The dust production mechanism is summarized by combing the whole process of shotcrete. The Computational Fluid Dynamics (CFD) method was used to study the diffusion and transport of dust under different conditions. The grey relational analysis was applied to investigate the correlation values of the influencing factors on dust diffusion in the shotcrete operation area. The results show that the dust generation mechanism of shotcrete includes the sudden change of particle velocity in the jet area leading to escape and particle impact dust generation, where fine dust is easily dispersed in the tunnel. During continuous dust production, the dust concentration is higher near the wet spraying machine and on the backflow side of the working face. Increasing the air supply volume and shortening the distance between the air duct and the working face is conducive to diluting the dust concentration in the tunnel. In the high-altitude environment, the dust concentration in the tunnel decreases, the diffusion distance becomes smaller, the settlement proportion of dust particles increases, and the risk of secondary pollution increases. The simulation results and the field measurement data are consistent, which can provide theoretical support for the construction site dust control.     

浅埋小净距隧道爆破损伤探测及数值模拟分析

为了研究爆破荷载对浅埋小净距隧道围岩造成的损伤影响,以济南顺河快速路南延工程浅埋暗挖段为工程背景,通过LSDYNA软件将建立的各向异性动态损伤本构用于隧道爆破的损伤数值模拟,研究炮孔周围的损伤范围;并基于声波测试原理,对浅埋小净距隧道围岩的损伤进行了现场探测。结果表明:在数值模拟中,单个炮孔爆破形成的最大损伤影响半径为0.58 m,最大损伤影响深度为1.88 m,根据岩体的损伤破坏阈值,岩体的破坏水平范围可达0.14 m,破坏深度为1.70 m;根据现场探测,中夹岩受双线隧道交替爆破开挖其损伤程度较围岩其他部位要高,爆破开挖对隧道围岩造成的损伤范围在0.50 m左右,与模拟结果相接近,验证了各向异性动态损伤本构的准确性。研究成果对浅埋小净距隧道的爆破开挖和损伤控制具有一定指导作用。     

上覆岩土条件下孤石爆破预处理炸药单耗实验

盾构机在风化花岗岩地层掘进会遇到高强度孤石,为降低施工风险、避免刀盘及刀具严重损坏,常采用地面钻孔爆破对前方孤石进行预处理,但其炸药单耗一般由经验公式确定,导致爆破效果不理想。结合实际工程对爆破块度小于30 cm的特殊要求,采用爆破模型实验对炸药单耗进行研究。实验结果表明:满足特殊块度要求的陆地钻孔爆破炸药单耗是常规钻孔爆破的5.4~6.5倍;上覆地层厚度与炸药单耗呈线性递增关系;实验得出的炸药单耗是瑞典经验公式计算值的3.4~4.9倍。由此提出满足工程需要的炸药单耗修正公式,应用于实际工程并通过验证取得良好效果,为类似工程孤石爆破预处理炸药单耗的计算提供依据和参考。     

一维轴对称杆件爆源模型及其在台阶爆破模拟中的应用

为了解决在实体炮孔建模时需要加密网格、计算量大等问题,提出了一种一维轴对称爆源模型:利用一维线状杆件表述炮孔及炸药,实体单元表述周围岩体,通过杆件节点与实体单元的拓扑关系,将杆件节点上的爆生气体压力施加至周围实体单元上,并根据实体单元的体应变计算出杆件节点处的横截面变化情况,从而实现模拟炸药与周围岩体的相互作用。通过与实体炮孔模型的数值对比分析,发现压力衰减指数为1.25时,一维轴对称爆源模型获得的径向质点峰值振动速度（peak particle velocity, PPV）衰减规律及振动速度时程曲线与实体炮孔模型基本一致,证明了该模型在模拟爆破问题中的精确性。针对混凝土块动态爆破破坏特性的研究,通过与文献对比分析,进一步验证了该模型的正确性。为验证该一维轴对称爆源模型在台阶爆破模拟中的应用,以鞍钢露天铁矿台阶爆破开采为研究对象,建立了5排50炮孔三维台阶爆破概化模型,模拟了爆区内露天边坡的损伤破坏状态。数值计算结果表明,爆区内拉伸破坏为主,并且除了离爆源较近的第一个测点外,其余测点处的振动速度峰值大小及其随距离的变化规律与现场实测数据基本一致,证明了所提爆源模型在三维台阶爆破远场模拟的可行性。     

开口型管道内瓦斯爆炸冲击波动压的数值模拟

为了研究瓦斯爆炸冲击波的动压演化规律,利用数值模拟软件模拟开口型管道内的爆炸。结果表明:动压与流速在时间上存在较好的对应关系,基本同时出现正向和反向的峰值;动压在3个方向上不仅伴随传播距离的增大而不断增大,也伴随传播时间的延长而增大;沿管道方向(火焰传播方向)上的最大动压值是其他2个方向(管道径向)上的数千倍;相比爆炸超压而言,管道径向上的动压对爆炸破坏效应的影响较小,而沿管道方向上的动压造成的破坏效应不能忽视;验证了动压与流速的平方呈正比关系,同时通过分析给出了动压基于管道几何尺寸和流速的经验公式。     

城市隧道穿越复合地层的合理微差时间间隔

以莞惠城际项目的“上软下硬”复合地层条件为依托,结合现场测试数据,采用理论与数值分析相结合的手段,开展城市隧道穿越复合地层中合理微差时间间隔的研究。研究结果表明:复合地层中微差爆破效果较好,第1、2炮适宜的微差时间间隔为50~70 ms;围岩条件相同,振动波形和主震相的持续时间均随着爆心距的增加而变长;而围岩条件变差时,振动波形更易出现波形叠加现象;随着微差时间间隔增加,第1、2炮产生的主震相逐渐分离,在0~35ms间降震率波动明显且整体上小于稳定降震率;在复合地层中,两测点爆心距相同时,成洞区上方测点受空洞效应影响显著,振速明显偏大。     

炸药类型对富铁矿爆破效果影响的试验研究

为探究炸药类型对铁矿石爆破效果的影响，选用相同药量的3种炸药对铁矿石试样进行爆破试验。对比研究了不同炸药爆炸作用后试样表面裂纹分形维数和碎块块度分布特征，进而对试样的破坏程度和爆破效果进行了定量的对比与评价。同时，从爆炸应力波叠加、能量释放与传递角度，对爆破效果的差异进行了理论分析。研究结果表明:（1）松散装药以及混合装药均会导致爆源相同距离处爆炸应力场分布的均匀性变差；（2）炸药爆热越大、炸药铁矿石波阻抗匹配程度越高，炸药爆炸后释放的能量越大且能量传递效率越高，铁矿石破坏程度越大；（3）爆破工程中炸药选型时，应重点考虑炸药密度、爆热和爆速3个参数，选择与矿（岩）体波阻抗匹配程度高且爆热合适的炸药，使得爆破后产生的大块和小块均较少。