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。     

地应力影响下隧洞边墙的爆破振动安全

针对地应力条件下的溪洛渡水电站右岸大跨度导流洞的开挖,依托现场的爆破实验参数,结合LS-DYNA软件,进行了隧洞岩体爆破开挖过程围岩的动态响应计算。分别采用峰值质点振动速度和最大拉应力安全判据确定围岩的爆破损伤范围。计算结果表明,隧洞爆破开挖时,最大峰值质点振速和最大拉应力均出现在洞室边墙中部,因此,爆破损伤在洞室边墙部位最严重。通过对洞室边墙中部的峰值振速和最大拉应力的数值拟合,得到了峰值质点振速和最大拉应力的统计关系,并进行了相关性检验,而且根据所得统计关系,结合实际工程围岩动态抗拉强度准则,提出了控制隧洞围岩爆破损伤的临界峰值质点振动速度。     

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。     

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60ms,在1.0kg设计药量下最大计算合成振速0.62cm/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。     

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。     

小净距隧道爆破振动危害的主动控制研究

为了研究小净距下复线隧道的施工爆破对既有隧道的影响并采取合理的主动控制,采用LS-DYNA动力有限元软件建立了不同净间距时新建隧道和既有隧道的数值模型。将测点峰值振速作为判据,得到了小净距下新建隧道爆破施工时既有隧道的振速测点布置方案及相应的爆破药量优选方案:既有隧道振速测点应布置在迎爆侧边墙距地面1.2m处;随两隧道净间距L的不断减小,应分别在L为9m、8m、7m时合理降低爆破装药量,相应的爆破炸药量建议值分别为48kg、30kg、24kg。数值试验和实测数据对比分析结果表明:在两隧道净间距L从11.9m逐渐减小为6.6m的过程中,既有线实测质点峰值振速与数值分析结果的变化趋势基本一致;合理有效地控制爆破药量,是降低既有隧道爆破振动响应、保证其安全运营的关键。研究所得结论可用于指导小净距条件下新建隧道的爆破施工,实现爆破振动效应危害的主动控制。     

基于Matlab和BP神经网络的爆破振动预测系统

爆破振动预测是一个复杂的非线性问题,可应用非线性功能强大的BP神经网络技术来解决,但由于其数值计算量大、可操作性不强等特点,在实际工程中应用困难。为了解决该问题,本文中将Matlab程序的强大计算能力与VB的友好界面相结合,利用ActiveX自动化技术和BP神经网络算法,开发得到爆破振速峰值预测系统。该预测系统可根据各工程实际情况选取影响爆破振动的主要因素作为输入参数,以预测爆破振速峰值。通过在北京市昌平线暗挖区间隧道工程中的应用表明:该预测系统在实际工程中使用方便,操作简单,预测精度高,人机交互界面友好。     

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。     

爆破开挖振动下既有大型储油罐的动力响应

针对既有大型储油罐近区基础爆破开挖中的安全问题,采用ANSYS/LS-DYNA的隐式-显式顺序求解方法,结合流固耦合算法,研究了爆破振动下大型储油罐的动力响应规律。分析了罐壁不同位置的质点振速,由于质点振速分布情况较为复杂,不宜用局部质点振速判断罐壁危险点;总结了罐壁上应力的分布规律,结果显示爆破振动对储油罐的影响主要集中在迎爆侧下部,且在罐壁迎爆侧高度为3 m左右的位置最易发生象足屈曲;分析了不同频率爆破振动作用下满载储罐罐壁的质点振速,结果表明在爆破振动主频范围内,载荷频率远大于储罐固有频率条件下,罐壁上质点振速随着爆破振动频率的降低呈减小趋势;建立了储油罐罐壁质点振速与罐内液面高度的关系,结果表明降低液面高度可以有效提高储油罐的爆破振动安全阈值,爆破施工中邻近储罐储液高度不宜高于10 m。     

下穿隧道爆破荷载激励下边坡振动预测及能量分析

为解决边坡与下穿近接隧道协同爆破施工安全难题,结合某石油储备基地扩建项目,运用量纲推导、现场实验与信号分析相结合的方法,构建考虑高程影响的振动峰值速度公式,研究隧道爆破振动能量沿坡面的衰减机制。结果显示,边坡同台阶边沿处质点振速峰值大于坡脚处,坡面局部存在振动速度高程放大效应;引入相对坡度H/D的爆破振动模型对坡面质点振速预测精度高,可反映边坡角对高程放大效应的影响;振动速度及能量沿坡面均呈现出近区衰减快、远区衰减慢的传播特性,同时隧道爆破振动能量集中分布在0～300 Hz范围的多个子振频带,且高频能量沿坡面衰减更快,能量卓越频带中值以指数形式衰减,能量最终向低频带集中。     

爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力失效机制

基于典型城市燃气管道直埋地层特点,通过全尺寸直埋燃气管道爆破地震实验,并结合LS-DYNA动力有限元数值计算软件建立不同爆源距离的无接口和法兰接口的燃气管道模型,分析研究了爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力响应特征及其失效机制。研究结果表明:管道截面应变以轴向拉伸应变为主,环向应变为辅;不同爆破工况下,无接口管道和法兰接口管道及地表峰值振动速度随爆源距离减小而增大;沿管道轴线方向,无接口管道、地表峰值振动速度以管道中心截面为对称面沿两端不断减小,法兰接口管道峰值振速由两侧向中间逐渐增大,在法兰接口处突然减小;法兰接口处出现明显的应力集中现象;管道法兰接口处是爆破地震作用下研究的关键点,螺栓的峰值有效应力、垫片轴向压力、法兰峰值有效应力、法兰偏转角随爆源距离增大而减小;法兰管道偏转角与地表峰值振动速度具有对应关系,法兰接口燃气管道中心正上方地表的控制振速（13.82 cm/s）可作为邻近燃气管道爆破工程地表的安全控制值。     

基于等效加速度的岩质边坡爆破动力稳定性

基于刚体极限平衡法及等效加速度计算方法,根据爆破振动峰值速度衰减规律和振动速度时程曲 线,以一定时间步长进行整个爆破过程不同时刻边坡稳定系数的分析,得到了相应爆破振动作用下的边坡动 力稳定性安全系数时程曲线。结果表明,基于等效加速度的边坡爆破动力稳定性分析,对稳定性较好的边坡, 爆破振动荷载作用下,稳定性安全系数一般降低2%~4%,振动主频率越高,则边坡稳定性系数越大,而常规 的折减系数法可能放大爆破振动对边坡稳定性的危害。     

新浇筑基础混凝土爆破安全震动速度的确定

针对以往完全依据工程经验来确定新浇筑混凝土爆破安全震动速度这一现状 ,通过爆破地震波(Rayleigh波 )作用下的新浇筑基础混凝土中的震动速度及动拉应变的分布计算并结合不同龄期下新浇筑混凝土的允许极限拉应变分析 ,提出了一种确定新浇筑基础混凝土安全震动速度的理论计算方法。理论分析结果和计算实例表明 ,所提出的理论计算方法是合理可行的 ,新浇筑基础混凝土的极限震动速度随混凝土龄期的缩短及基岩对新浇筑混凝土的基础约束程度的提高而降低。我国现行采用的新浇筑大体积混凝土基础面上的质点安全震动速度具有较大的安全储备。     

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%。     

密集建筑物下隧道开挖微振控制爆破方法与振动分析

为适应城市密集建筑物下隧道爆破对振动的高安全要求, 研究用普通爆破器材进行振速精确控制的爆破技术和参数确定方法。以渝中隧道为研究背景, 在开发准确延时非电雷管的基础上, 利用傅立叶函数和MATLAB软件拟合了不同药量单孔爆破振动波形, 分析了1~50 ms不同间隔下振动叠加的量化数据; 讨论了各微差间隔时间的降振效果; 在指定振速的情况下, 确定单孔药量和微差起爆时间; 实测并分析了现场使用雷管各段微差间隔特点, 据此进行针对性的爆破设计和采用逐孔掏槽爆破进行振速控制。现场应用表明:隧道爆破振速始终小于1.00 cm/s, 在此振速下避免振动叠加的最优单孔药量为1.2 kg, 爆破振速峰值位于主掏槽的第1段或第2段雷管起爆后, 且与理论分析结果吻合较好; 逐孔起爆60 ms后振速下降50%以上。研究表明:在高安全指标下, 以非电雷管实施精确控制爆破是可以实现的。