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。     

初始应力下岩体爆破损伤特性及破裂机理

钻爆法在岩体开挖工程中应用广泛,其工作效率与岩体结构及地质环境密切相关。初始应力会显著影响岩体爆破裂纹的扩展行为及破坏特征,导致深部岩体超/欠挖等问题。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了不同初始应力下岩体的爆破损伤特性及破裂机理。基于弹性力学建立单孔爆破动静组合理论模型,分析了静态应力分布及动态应力演化特征,揭示了初始应力作用下岩体爆破损伤机制。通过经验公式及动态力学试验对RiedelHiermaier-Thoma (RHT)模型参数进行标定与修正,并结合室内爆破实验及理论结果对数值模型进行验证。此外,在单孔爆破数值模型中分析了爆炸压力演化规律、裂纹扩展行为及分形特征,结果表明数值模拟结果可以较好地论证理论模型的合理性。研究发现：环向拉应力是影响爆破裂纹扩展的重要因素,当初始应力较大时,合理调整环向应力分布可改善岩体爆破碎裂效果,实际工程中可结合预裂技术进行地压调控改变应力分布。     

岩体爆破松裂区的损伤机制及其数值模拟

用损伤力学处理方法着重研究爆破运区岩体的松裂机制，建立其损伤发展方程与本构模型。在二维限差分计算程序（Ｓｈａｌｅ）中嵌入伤模型后，实现了岩体爆破松裂区数值模拟。对三峡工程左岸坝基岩体小药量爆破试验和清江隔河岩工程的开挖爆破进行了模拟计算，其结果与相应的实测数据吻合，模拟相对误差小于１３．３％。     

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。     

超高速撞击条件下靶体损伤区的数值模拟分析

超高速撞击问题中,靶体损伤区研究能够弥补部分实验中难以精确获取成坑形貌的问题,为撞击机理研究和数值模拟的校验提供重要依据.损伤区的数值模拟研究开展较少,主要原因是缺乏经过实验验证的损伤区判据.本文总结了已有的损伤区定量测量实验结果,发现对于同一种靶体,多种切片显微测试方法得到的损伤区深度比较吻合,这给损伤区分析提供了便利.基于iSALE程序模拟分析了累计塑性应变、损伤因子和峰值压力作为损伤区判断参数的适用性,认为TPS=0.1适合作为损伤判据;D=1可以作为损伤判据,但误差较大需谨慎使用;峰值压力不适合作为损伤判据.通过参数化分析发现,随着孔隙率增大和靶体强度增大,损伤区深度逐渐减小.     

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。     

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。     

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。     

爆破扰动下邻近层状围岩隧道的稳定性与振速阈值

爆炸荷载下邻近既有层状围岩隧道的迎爆侧易发生开裂、破坏,确保既有隧道围岩在爆破扰动下的安全是隧道近接施工中的关键问题。基于弹性力学和结构力学原理,建立了既有层状围岩隧道迎爆侧最危险点的简化力学模型,得到了最危险点的应力计算表达式,分析了隧道半径与岩层厚度的比值、岩层的倾角、岩层所对应的圆心角和隧道埋深等因素对既有隧道围岩稳定性的影响规律,并依据岩体最大拉应力判据确定了既有层状隧道围岩稳定的质点临界振动速度,结合地震波传播时的衰减规律,可以得出爆破施工时的最大单响药量,从而为隧道近接爆破动力扰动施工提供理论依据。     

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。     

爆炸荷载和地应力耦合作用下煤体裂纹扩展的模型实验研究

为了研究地应力作用下煤体柱状装药预裂爆破裂纹扩展,以Froude比例法为指导,建立煤层预裂爆破的模型实验,并对地应力和爆炸荷载耦合作用下煤体中的裂纹扩展机理进行了研究。该模型描述了在爆炸荷载作用下的宏观破坏现象。研究结果表明:模型实验与现场试验结果基本一致;裂纹主要是由压缩波和卸载波共同作用形成的;地应力对裂纹的发展具有抑制作用;主应力对于拉伸裂纹的发展具有明显的导向作用。     

Experimental investigation of structural response to generalized ground shock excitations

High-frequency ground motions (referred to as “ground shocks”) of potentially damaging magnitude are produced from blasting and heavy construction activities. Up to now, quantification of the ground shock response and damage has remained empirical on the basis of general field observations. Systematic test data that allow for a rigorous interpretation of the response characteristics and calibration of analytical models are scarce. In this investigation, a unique experimental program was conducted to simulate the ground shock response on scaled reinforced concrete frame models with an electromagnetic shaker. Different response characteristics under high frequency excitations as compared to the familiar earthquake response are observed. In particular, the structural significance of local modes in high frequency response is clearly identified. The measured response allowed for the construction of spectral concrete strain curves for a given ground motion peak particle velocity (PPV), based on which a benchmark allowable PPV vs. input frequency relationship is obtained and is compared with relevant code provisions.     

水下爆破冲击波作用下典型鱼类临界安全波压模型研究

为了探究水下爆破冲击波对鱼类损伤的影响,首先通过理论分析探讨了水下冲击波在鱼体的传播过程和对鱼鳔的损伤机理,构建了典型有鳔鱼类临界安全波压模型,并结合实测数据、参考相关文献,确定了模型参数。结果表明,典型有鳔鱼类临界安全波压与鱼体长呈线性关系。其中,水介质和鱼鳔壁介质的波阻抗比、鱼鳔宽度因数、鱼鳔壁厚因数、鱼鳔径向临界拉应力因数和鱼鳔形状因数分别为0.3～2.0、0.04～0.09、0.002、60和0.6～1.1。然后,根据典型有鳔鱼类临界安全波压模型参数,得到最大和最小鱼类临界安全波压模型分别为p_ic,max=30L和p_ic,min=3L(p_ic,max的单位为kPa,L的单位为cm)。最后,通过鱼类损伤情况的实测数据和文献数据,验证了鱼类临界安全波压模型。结果表明,不同体长的鱼类在不同冲击波压力时的受损状况分布,基本与鱼类所能承受的最大和最小的临界安全波压范围符合。并根据鱼类临界安全波压与体长的关系,划分了死亡区、存活有影响区和存活无影响区。     

爆破动载作用下新喷射混凝土累积损伤效应的模型实验

利用模型实验的手段模拟了巷道的爆破掘进,并在实验中辅以声波测试,通过分析声波波速和声波波形的变化规律,研究了新喷射混凝土在多次爆破动载作用下的累积损伤效应。实验结果表明,爆破次数、与掌子面之间的距离和爆破药量均会影响喷射混凝土的累积损伤,这种影响体现在声波波速和波形2个方面:爆破次数增加、距离减小和药量增加,则声速降低值越大,波形变化越明显,即累积损伤值越大;爆破次数和距掌子面的距离均与累积损伤呈非线性关系,其中距离与爆破损伤之间的非线性关系可以用二次多项式进行较好的拟合;第一次爆破对声速和波形影响最大,造成的单次损伤值也最大;在小药量爆破的情况下,测试面的最大累积损伤值达到了0.1268,表明爆破近区喷射混凝土的损伤是需要关注的重点。     

立井冻土爆破冻结管振动力学响应研究

以赵固二矿西风井冻结爆破掘进施工为背景,对爆破作用下冻结管的振动力学响应进行了研究.依据爆炸应力波理论,分析了考虑P波垂直入射时冻结管的力学响应机制.采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件模拟了冻结管受爆炸作用下的振动响应规律:振动波入射冻结管同一截面各测点振动速度相差不大,背爆侧振动速度最大,与P波入射成45°...     

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。     

混凝土分段曲线损伤模型

在对比分析国内外现有的混凝土受拉损伤模型基础上，结合素混凝土受拉应力应变曲线的试验结果，提出了一个新的混凝土分段曲线损伤模型，并利用应力连续条件确定了损伤模型中各系数的值。运用该模型到力学分析中，推导了矩形截面的混凝土梁在纯弯矩作用下，在损伤较小和损伤较大时的力学方程，算出了梁的最大承载能力，并与材料力学计算的梁承载能力进行了对比。详细分析了损伤区域及损伤应力在横截面上的变化过程，确定了极限状态下含损伤混凝土梁的应力分布和相应的承载能力，画出了损伤状态梁截面的应力分布图。