地应力对爆破过程中围岩振动能量分布的影响

对高地应力条件下隧洞爆破开挖过程中围岩振动信号进行小波包分析，得到了振动信号不同频带上的能量分布。实测资料分析结果表明，爆破开挖时，初始地应力动态卸载诱发的围岩振动的频率范围和爆破荷载诱发的围岩振动频率范围基本相同，但地应力卸载诱发的振动中，低频能量占较大的比例；开挖面上的卸载应力值的大小和卸载面的大小共同决定卸载效应的强弱，而这两个因素均与开挖面上的炮孔布置和起爆网络的连接有关。     

光面爆破相邻炮孔存在起爆时差的炮孔间距计算

根据光面爆破炮孔爆炸载荷的时间衰减和相邻炮孔的非同时起爆,对光面爆破的炮孔间距计算进行研究,提出新的光面爆破参数设计方法,并得出炮孔爆炸载荷衰减速度、相邻炮孔起爆时差对炮孔间距的影响。分析认为,就实现较大的光面爆破炮孔间距而言,提高炮孔堵塞质量较提高雷管起爆时间精度更有意义。     

高地应力岩体多孔爆破破岩机制

深部岩体爆破破岩是爆炸荷载与高地应力共同作用的结果。基于一些简化假设，建立了一个高地应力岩体双孔爆破计算模型，采用光滑粒子流体力学-有限元方法耦合数值模拟方法，研究了高地应力作用下炮孔间裂纹的传播及贯通过程，分析了炮孔周围应力场动态演化过程与分布特征。研究结果表明:爆破引起的岩体开裂主要是环向动拉应力所致，地应力对岩体的压缩降低了炮孔周围环向动拉应力、缩短了环向动拉应力的作用时间，因而对爆炸致裂起抑制作用；静水地应力条件下多孔爆破时，垂直于炮孔连线方向传播的爆生裂纹更易受到地应力的抑制；对于高地应力岩体爆破，炮孔间的裂纹扩展长度随地应力水平的提高而减小，裂纹主要沿最大主应力方向扩展，因此沿最大主应力方向布置炮孔、缩短炮孔间距有利于炮孔间裂纹的连接贯通，形成良好的爆破开挖面。     

轮廓爆破下柱状节理岩体开裂过程的数值模拟

以白鹤滩水电站柱状节理玄武岩为研究对象，根据现场的柱状节理分布统计资料生成数值模型，模拟边坡开挖轮廓爆破下柱状节理岩体的开裂过程。结果表明:轮廓爆破时，柱状节理面对岩体裂纹的发展起着导向和控制作用；爆炸荷载作用下炮孔周围的节理面首先张开，然后裂缝沿着炮孔连心线附近的节理面扩展，最后形成贯通的由大量柱状节理面连接而成的裂缝；预裂爆破条件下，预裂缝宽度先增大后减少，最后达到稳定的开度，而且预裂爆破在柱状节理岩体中产生的裂纹范围比光面爆破产生的大。     

高台阶抛掷爆破速度规律的数值模拟

为了获得高台阶抛掷爆破作用下岩石的抛掷速度变化规律,结合现场实验,采用理论分析、高速摄影技术、数值计算方法开展研究。研究结果表明,炮孔内炸药起爆后,坡面岩石抛掷初速度达到最大值的时间在93~105 ms之间,最大抛掷初速度在18~28 m/s之间;坡面岩石的最大抛掷初速度在延炮孔内传爆方向呈增长、稳定、下降的趋势;岩石抛掷运动过程的最后阶段呈自由落体运动,个别岩块的运动速度存在增减现象,主要是由于岩体破碎后岩块间存在的相互碰撞作用;高速摄影实验结果验证了数值计算结果的正确性、RHT材料本构模型及参数在高台阶抛掷爆破数值计算过程中的可用性。     

红沿河核电站基岩爆破的控制标准

以辽宁红沿河核电站核岛基础爆破开挖为例,分析了核岛基础不同区域的岩体力学特性以及各层 开挖时岩体允许损伤深度的差异,指出必须根据实际情况提出岩体爆炸振动控制方法和标准。在此基础上, 基于爆破振动监测和声波实验,分析了岩体爆破振动以及损伤特征,建立了核岛基础爆破开挖时岩体损伤深 度与振动速度之间的经验公式,提出了不同区域、不同允许损伤深度的情况下岩体爆炸振动速度控制标准。 研究结果表明,通过监测距爆源一定距离处的岩体质点振动速度控制爆炸损伤深度的方法是合适和有效的。     

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。     

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。     

不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破的数值模拟

在采矿工程、地下交通工程和水利水电工程等岩体开挖工程中,爆破法仍是一种主要的破岩方法.实际天然岩体中存在的裂隙、节理等不连续面和所处的地应力场环境,都会对爆破荷载传播过程和最终的破碎效果产生重要影响.本文把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用两个独立的先后作用过程,同时考虑初始应力场的静态作用,建立岩石爆破的力学模型.基于渗流方程描述爆生气体在爆生裂纹中的传播过程,进而基于流固耦合理论实现爆生气体准静态压力对裂纹尖端的力学作用.爆炸应力波主要在孔周引起压碎区和径向微裂纹区,随后爆生气体压力楔入径向裂纹尖端,促使裂纹进一步扩展,形成径向主裂纹.数值模型可以再现孔周压碎区、径向微裂纹区、径向主裂纹区萌生、扩展的完整演化过程.针对不同节理角度和地应力条件下岩石双孔爆破过程的数值模拟结果表明,初始地应力场的压应力作用不利于爆生裂纹的萌生与扩展,但节理的存在对裂纹的扩展具有明显的导向和促进作用,有利于爆生裂纹沿节理面方向的扩展.     

基于连续-非连续单元方法的露天矿三维台阶爆破全过程数值模拟

爆破开采是露天矿采选总成本控制的首要环节，数值模拟是进行露天矿爆破开采优化设计及爆破效果分析的有效手段。利用连续-非连续单元方法（continuum-discontinuum element method，CDEM）对露天矿的三维台阶爆破过程进行了模拟，通过朗道爆炸模型实现了爆炸作用力的精确计算，通过弹性-损伤-断裂本构实现了岩体损伤破裂过程的描述，通过半弹簧-目标面及半棱-目标棱的联合接触算法实现了破碎岩块碰撞、飞散及堆积过程的高效模拟。开展了小尺度单自由面爆破过程的数值模拟，计算给出的块度分布曲线、爆破漏斗体积等参数与文献中模型实验的结果基本一致，证明了CDEM及本文所述各类模型在模拟爆炸破岩方面的精确性。以鞍千矿南采区的露天铁矿爆破开采为研究对象，建立了3排21炮孔的三维台阶爆破概化模型，模拟了从炸药起爆、岩体损伤破裂到最后爆堆形成的全过程；计算结果表明，除后缘拉裂槽外，数值计算给出的爆堆形态、顶部鼓起高度等与现场的测试结果基本一致，证明了利用CDEM开展三维露天台阶爆破全过程模拟的可行性。     

小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究

从爆破施工的特点入手，对小间距隧道在采用典型双侧导坑法时的爆破施工动力效应进行了数值模拟研究，给出了爆破施工在已有洞室周边产生的动力效应的一般规律，指出在爆破（后开挖洞室）开挖影响区以内，合理确定已有洞室二次衬砌施作时间的重要性，并给出了爆破施工对已有洞室稳定性影响较大的关键开挖位置。研究表明，爆破动载荷对小间距隧道围岩稳定性的影响主要表现为爆炸应力波造成围岩临空面的反射拉伸破坏，破坏较严重的是已有洞室的迎爆墙、拱脚、拱顶等部位。所得结论对小间距隧道爆破施工有一定的参考价值。     

多次爆破荷载作用下大荒沟小净距隧道围岩岩体位移响应

以丹东-通化高速公路大荒沟隧道进行的爆破振动监测数据为依据，采用FLAC-3D软件，分析了多次爆破荷载作用下大荒沟隧道小净距段围岩位移响应规律。根据爆破振动监测数据，考虑了竖向和横向质点运动在爆破荷载作用下的耦合效应，模拟左、右洞在6次爆破开挖下的隧道围岩位移响应，同时进行小净距隧道围岩岩体疲劳损伤声波监测，将爆破振动模拟结果和工程实测岩体疲劳损伤声波监测结果进行比较。分析表明:随着爆破循环开挖的进行，围岩处于稳定状态，在排除爆破加载左洞及右洞先后顺序的影响后，岩体损伤及围岩位移偏移以间柱为对称面呈现一定的对称性。同时，随着爆破掘进进行，隧道围岩监测处距爆破中心距离增大，测点处爆破应力波的强调度降低，围岩岩体疲劳损伤及位移偏移增量减少并最终趋于稳定。     

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。     

不耦合装药爆破孔壁压力峰值的实验研究

不耦合装药爆破孔壁压力峰值是控制岩体轮廓成形质量及进行非流固耦合爆破振动响应数值模拟分析的重要参数,本文采用实验方法研究了不耦合装药爆破的孔壁压力峰值:利用材质为20钢的无缝薄壁钢管模拟不耦合装药爆破炮孔,以高灵敏度、高精度的应变片为传感器,选用超动态应变仪采集钢管内置柱状炸药卷爆炸过程中钢管外壁产生的环向应变,应用动荷载作用下薄壁圆筒的动力响应计算方法,反演分析采集的钢管外壁环向应变数据,得到了爆破过程中空气冲击波作用于钢管内壁的冲击荷载压力峰值,间接测量了不耦合装药爆炸后的孔壁压力峰值。实验获得了6种不耦合装药工况下的爆破孔壁压力峰值测试数据,并计算了相应工况下实验值较准静态爆生气体压力的增大倍数,拟合结果表明压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长。同时也分析了部分试验工况下爆炸测试结果不理想的原因,研究成果可为轮廓爆破孔壁压力峰值的测试与计算提供参考。     

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。     

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。     

自由面数量对水下钻孔爆破振动信号能量分布及衰减规律的影响

针对自由面不仅影响爆破效果还影响爆破振动效应的问题,提出从能量角度探索自由面对水下爆破振动衰减规律的影响。以三峡大坝至葛洲坝水利枢纽河段水下钻孔爆破地震波现场监测数据为基础,结合SPH-FEM数值模拟技术和小波时频能量分析方法,对不同自由面数量的爆破振动信号的总能量、各频带间的能量分布特征及振动衰减规律进行了研究。结果表明:水下钻孔爆破具有低主频、短持时、快衰减的特点,爆破主频带主要集中在15.625～31.250 Hz;受单一自由面限制的水下开槽爆破,监测信号的爆炸能量主要以振动形式消耗,单自由面比振动能为13.14 mm2/(kg·s2),随着后续开挖爆破自由面数量的增加,双自由面和三自由面的比振动能分别降低至1.36和0.28 mm2/(kg·s2),频带质点峰值振动速度分别降低65%和37%,能量更多用于破碎和抛掷岩体,水下爆破振动主频由低频向高频带（31.25～62.50 Hz）发展。因此,在水下控制爆破设计时,需要考虑自由面数量对振动能量分布和衰减规律的影响,并利用这个特征,确定各段的控制药量,减少对周边建构物的共振危害。     

爆破地震波作用下城市隧道结构动力响应的敏感性

选取纵波作为研究对象,采用波函数展开法,推导了无限弹性介质中复合衬砌结构隧道在爆破地震波作用下动力响应问题的解析解,结合南京红山南路隧道群开挖工程开展了隧道结构动应力集中因数的敏感性分析,并通过曲线拟合分别得到了隧道围岩及内衬环向动应力集中因数随隧道结构动力学及几何参数变化的回归方程。分析结果表明:隧道围岩和二次衬砌层的弹性模量及围岩泊松比对考察点处环向动应力的影响较大,而初期支护层弹性模量的影响几乎可以忽略不计;衬砌层厚度变化对围岩环向动应力的影响要远大于内衬,在隧道施工设计时可以通过增加衬砌层的厚度平衡隧道结构的受力状态,但增加初期支护层的效果不如二次衬砌层。     

控制爆破的断裂控制与参数确定

描述了孔边线状裂纹扩展的断裂控制过程。建立了控制爆破参数与岩石强度、断裂韧度和炸药性质等之间的关系。得出了尽可能加大炮孔间距的合理尺度。     

轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法

爆破孔壁压力峰值是进行非流固耦合爆破动力响应分析的重要参数。针对轮廓爆破孔壁压力峰值的计算方法问题，理论分析了爆炸冲击波与弹性壁面的相互作用，推导了空气冲击波与弹性壁碰撞后压力增大倍数的理论解，并采用流固耦合动力有限元数值分析方法，研究了3种岩体介质、2种轮廓爆破常用炸药、5种常用不耦合系数、2种轴向装药系数工况下轮廓爆破的冲击波碰撞压力增大倍数和炮孔壁压力峰值。结果表明:轮廓爆破时，爆炸冲击波与孔壁碰撞后压力增大倍数并不是常值，与炸药特性、孔壁介质条件、不耦合装药系数等因素相关，孔壁压力峰值也与上述因素密切相关。基于模拟的孔壁压力峰值数据的统计分析，并结合理论推导成果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式，提出了一种新的轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法。