岩石高边坡开挖爆破动力损伤的数值仿真

 实现高边坡爆破开挖损伤区的数值仿真对研究保留岩体的损伤控制有重要意义。基于采用经典爆破损伤模型表达拉伸损伤的方法,引入对压缩损伤的考虑,同时,修正岩体宏观弹性参数的确定方法,建立自定义拉压损伤定量计算模型,详细推导其建立的数学过程,并采用LS-DYNA用户自定义接口将其成功导入LS-DYNA。采用该模型对溪洛渡高边坡640 m高程马道下边坡保留岩体的爆破开挖损伤效应进行数值仿真,通过岩体声波测试得到的实测损伤区,验证模型的有效性。选取目前应用较为广泛的爆破损伤模型进行对比计算,计算结果表明：拉压损伤模型的计算值与损伤区实测结果有较好的一致性,且与常用的爆破损伤模型相比,拉压损伤模型的精确性略有提高。     

岩石爆破损伤断裂的细观机理及其力学特性研究

 博士学位论文摘要　通过理论分析与建模、实验室与现场试验、数值模拟计算三个方面, 深入探讨了岩石在爆炸荷载作用下的细观断裂机理及损伤演化规律, 对爆破损伤岩石的力学特性进行了实验研究和分析。在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上, 提出了用宏观和细观相结合, 用细观损伤断裂力学方法描述和计算了岩石爆破破碎过程, 并将爆破过程分为应力波的动力作用和爆生气体的驱动及准静态应力场作用两个相互连贯, 而作用机理又不尽相同的两个阶段: 第一阶段为爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 第二阶段为爆生气体的流体驱动和静态压力场作用下的损伤断裂后期效应, 并分别研究了该两阶段岩石在爆炸载荷作用下的微裂纹扩展和损伤演化规律以及岩石爆破损伤断裂准则。在应用计算损伤材料有效模量的Taylo r方法基础上, 建立了一个适应范围更广的新的岩石爆破损伤模型; 然后应用细观损伤力学和断裂力学理论, 建立了岩石在爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展及在静态压力场作用下的裂纹尖端损伤局部化模型, 从而确定了岩石在爆炸载荷作用下的损伤场, 揭示了岩石爆破损伤断裂的全过程实质。运用超动态应变测试、超声波及电镜对岩石爆破损伤断裂机理和破坏过程进行了实验研究, 模拟了炮孔填塞和无填塞、耦合装药和不耦合装药、不同参数下的爆破过程, 分析了不同爆破条件下岩石内部的微裂纹扩展、损伤演化和岩石破碎规律。结果表明: 爆炸应力波对岩石的破坏作用主要体现在爆破近区, 而在爆破中远区主要产生损伤, 如果没有爆生气体的后期作用, 这种损伤一般不会造成破坏; 而爆生气体是裂纹扩展的主要原因, 特别是在主裂纹的形成和扩展过程中起了十分重要的作用。实验结果验证了所建模型的正确性和合理性。在现场及实验室实验的基础上, 分析研究了爆破对围岩的损伤作用, 建立了岩石弹脆性细观损伤模型; 并认为爆破对围岩的损伤作用体现在对岩石力学性能劣化和岩体完整性降低两方面, 其损伤程度与装药条件、爆破参数及远场应力有密切关系, 加大不耦合装药系数可以明显减弱对围岩的损伤作用;首次提出了爆破损伤岩石基本质量指标的概念, 推导了爆破对岩体基本质量指标BQ 公式的影响系数表达式, 定量地分析了爆破对围岩质量影响与损伤程度, 这对合理选取爆破参数和对围岩、边坡稳定有实用指导价值。以DYNA 22D 程序为基本框架, 采用小损伤条件下的解耦方法, 实现了对岩石爆破过程的数值模型, 计算模拟并对比了填塞和无填塞装药条件下的岩石爆破过程和损伤演化, 数值模拟与实验结果基本一致。     

考虑岩体完整程度的岩石爆破损伤模型及应用

现有爆破损伤本构模型未能考虑岩体完整程度对爆破作用效果的影响。为此,对Yang等提出的爆破损伤模型进行了改进,建立考虑初始损伤的弹塑性爆破损伤本构模型及提出用于评价围岩受爆破影响的损伤判据。该本构模型包含初始损伤变量和岩体完整性指数、声波波速等参数间的关系式,并利用岩体初始完整性指数的变化考虑其完整程度对爆破损伤作用的影响。把该模型引入到LS-DYNA数值软件中,并结合工程实例进行数值模拟,得到爆破损伤云图及相应的爆破影响范围。然后将计算得到的爆破影响范围与现场实测值、基于常用的TCK爆破损伤模型的数值计算结果进行了对比。最后,分析了爆破影响最大半径、最大深度与岩体初始完整性指数间的关系。研究表明,爆破影响最大半径、最大深度均随岩体初始完整性指数的减小而增大,且前者的变化更为显著。基于所提出模型的数值计算结果和现场实测值较为符合;提出的损伤模型可为考虑岩体完整程度对爆破开挖影响的理论研究和工程实践提供参考。     

爆破损伤岩石力学特性的试验研究

在不同的爆破条件下,在大理岩中进行了模拟爆破实验。在对爆破损伤岩石的力学特性进行实验研究的基础上,得到了在不同爆点距离和爆破条件下,爆破对岩石损伤作用的一些规律,并应用岩石弹脆性细观损伤模型,对爆破损伤岩石的细观裂纹扩展规律及其损伤特性进行了分析。     

岩石动态损伤特性实验及爆破模型

 探索岩石动态损伤参量及其演化表征方式以构造岩石爆破损伤模型。通过岩石冲击损伤实验,对冲击前后试件进行超声波测试, 得出岩石动态损伤与超声波衰减规律的关系。在考虑岩石冲击损伤过程的声波衰减规律及其与能量耗散率关系的基础上, 建立新的岩石爆破损伤模型。通过实验验证该模型的计算结果并实现了岩石台阶爆破数值计算。     

周边爆破造成围岩损伤的试验研究

降低爆破对围岩的损伤十分必要，利用试验方法寻求周边爆破参数对围岩爆破损伤的影响规律是促进这一问题解决的有效方法。据此，介绍周边爆破造成围岩损伤研究的模型试验技术与测量方法，并对不同周边爆破参数条件下取得的试验结果进行分析，进而获得周边爆破参数影响围岩中爆破损伤分布的基本规律。研究结果对爆破工程实践、爆破参数优化和深入的周边爆破理论研究具有一定指导意义和参考价值。     

岩体开挖爆炸应力损伤范围研究

近年发展起来的爆破损伤模型虽能客观反映岩石爆破物理过程,但爆破损伤模型参数选取复杂,需要通过数值计算来确定爆破损伤范围,不便于工程操作。在工程实践中,通常采用萨氏安全判据和PPV安全判据等确定爆破损伤范围,但这些基本上都是半经验判据,在质点峰值振动速度选取上存在人为误差。在分析这些经验判据的基础上,根据爆炸应力波衰减规律,推导爆炸应力损伤范围计算公式,并将上覆岩体的原岩应力作用计入,只要知道岩体抗拉强度、泊松比就可方便预测爆破岩体损伤范围,使其更符合工程实际,并用工程实例计算说明其合理可行,且操作方便简单,具有重要推广价值。     

溪洛渡电站地下厂房爆破损伤范围及判据研究

通过现场爆破振动测试和数值模拟方法研究地下厂房爆破损伤范围及判据;在应用FLAC3D数值模拟软件中,损伤变量D被引入弹塑性本构模型,同时将简化的三角形荷载作为爆破冲击荷载施加在炮孔孔壁上,并根据岩石中有效应力确定爆破损伤范围。调整同时起爆炮孔数目,改变单段起爆药量,研究爆破损伤范围与单段药量的关系,结果表明:损伤深度和损伤水平半径均随单段药量的增加而增大,损伤范围随着炮孔深度增加而减小,爆破损伤最大水平半径出现在炮孔顶部面上。根据爆破近区质点速度衰减规律,并通过数据拟合得到对应于不同单段起爆药量的最大损伤水平半径和相应部位爆破质点临界损伤振动速度的关系,临界损伤振动速度可作为爆破损伤安全判据。研究成果有效地应用到实践中,对类似开挖爆破工程具有一定指导意义。     

基于爆破损伤的岩台保护层开挖爆破参数研究

  摘要：在现有岩石爆破损伤理论的基础上,提出考虑初始损伤的爆破损伤计算模型,推导初始损伤变量和声波波速、弹性模量以及损伤门槛值等参数间的关系式。以溪洛渡水电站主厂房岩台保护层开挖为研究背景,结合岩石爆破损伤理论,分析保护层开挖的爆破损伤效应及其主要影响因素,并导出爆破参数计算公式。对主厂房内分布较广且初始损伤程度不同的2类岩体,分别给出相应的开挖爆破参数。通过现场爆破试验、爆破振动速度测试以及钻孔声波测试,验证爆破参数的合理性以及完善爆破参数设计。研究结果表明：爆破参数设计需要考虑岩体初始损伤的影响。考虑损伤效应后,岩台保护层开挖的炮孔密集系数小于普通光面爆破参数设计值;岩体初始损伤程度较大时,应增加光爆孔的装药不耦合系数和减小炮孔密集系数;岩台开挖爆破影响深度和爆破地震效应均满足安全控制要求,爆破参数设计合理。研究成果可为同类工程提供借鉴。     

岩体开挖爆炸应力损伤范围研究

 近年发展起来的爆破损伤模型虽能客观反映岩石爆破物理过程，但爆破损伤模型参数选取复杂，需要通过数值计算来确定爆破损伤范围，不便于工程操作。在工程实践中，通常采用萨氏安全判据和PPV安全判据等确定爆破损伤范围，但这些基本上都是半经验判据，在质点峰值振动速度选取上存在人为误差。在分析这些经验判据的基础上，根据爆炸应力波衰减规律，推导爆炸应力损伤范围计算公式，并将上覆岩体的原岩应力作用计入，只要知道岩体抗拉强度、泊松比就可方便预测爆破岩体损伤范围，使其更符合工程实际，并用工程实例计算说明其合理可行，且操作方便简单，具有重要推广价值。     

岩体爆破效应预测的一种新方法

 高斯过程是一种最近发展起来新的机器学习技术，对处理非线性复杂问题具有很好的适应性。岩体爆破效应与其影响因素之间是复杂的非线性关系，针对传统方法的局限性，提出一种基于高斯过程的岩体爆破效应预测的新方法，建立相应的岩体爆破效应预测模型，并应用于三峡工程坝区岩体爆破振动速度、爆破损伤深度与损伤半径的预测。通过三峡现场爆破试验数据，建立训练数据集和测试数据集，采用高斯过程方法建立爆破效应与影响因素之间的各影响因素之间的非线性映射关系。研究结果表明，岩体爆破振动速度、爆破损伤深度与损伤半径的预测结果与现场试验结果比较吻合，用高斯过程方法预测岩体爆破效应是科学可行的。与神经网络方法相比，高斯过程方法具有算法参数自适应化的特点，且适用于小样本问题，预测精度高，并易于实现，具有良好的工程应用前景。     

基于实测数据的青岛硬岩地铁隧道爆破施工振动影响范围研究

为科学解决爆破施工带来的周边建筑物安全问题,基于青岛地铁4号线横通道爆破施工的现场实测振动数据,拟合了青岛地质条件下的萨道夫斯基经验公式的岩性系数;根据周边建筑物现状确定了周边建筑物的安全振速控制标准,进而获得了爆破方案的爆破振动安全距离,避免了爆破施工对周边建筑造成的损坏。为减少施工期间的扰民纠纷,结合回归得到的经验公式,确定了该施工方案的爆破振动影响范围即爆破施工前需要开展调查的范围,为后续青岛地铁爆破施工的顺利开展提供了重要的参考依据。     

隧道爆破振动下既有建筑结构动力响应及#br# 损伤研究综述

针对隧道爆破振动引起建筑结构的损伤问题,首先阐述隧道爆破振动峰值振速和频率的衰减规律;然后总结隧道爆破下采用反应谱法、时程分析法、损伤指数量化法和现场试验测试法得出的结构振动反应特征,阐述隧道爆破下建筑结构的损伤机理和易损构件,并探究了基于高阶局部模态的爆破振动下结构振动的损伤机理;阐述振动安全标准及改进方法;最后指出今后的研究重点：①建立同时考虑结构承重构件和非承重构件的三维全结构模型,探究爆破振动下非承重构件的振动反应及损伤情况;②基于结构动力学和高阶模态理论,通过分析爆破振动主频与结构高阶模态频率之间的关系,探索建筑结构在隧道爆破下的高阶模态振动效应及损伤特征;③需要综合考虑结构峰值振速—峰值应力的耦合响应特征来探究建筑结构在隧道爆破振动下的损伤机理,辨识易损构件,改进和完善爆破振动安全标准;④结合大数据、信息化和结构健康监测技术,实现动态化、定量化和精细化评价爆破振动下建筑物安全和结构损伤。     

连拱隧道施工中存在的问题及解决方案

通过对某连拱隧道施工现场的调研,针对连拱隧道施工存在的问题,提出了利用喷射混凝土梁解决中墙顶部空洞问题,针对分段爆破、预裂爆破问题,提出了隧道开挖造成隧道破坏的解决方案。     

岩体的初始损伤对爆破效果的影响研究

根据损伤力学理论，提出了含初始损伤岩体动态损伤本构模型。结合Grady根据破碎能量守则给出的脆性材料动态平均块度尺寸公式，将初始损伤变量引入计算模型，并充分考虑爆炸应力波对岩体的破碎作用和在爆生气体膨胀及渗流压力作用下岩块之间的相互挤压碰撞作用，得出了爆破后的平均块度计算式，同时进行了试验验证。计算和试验结果表明，岩体的初始损伤对爆破效果的影响是非常显著的，但是可以通过改变爆破设计参数控制并利用初始损伤以改善爆破效果。同时还得出了一些有益的结论，对指导工程实践具有一定参考价值。     

爆炸荷载下岩石损伤的数值模拟研究

基于所建立的岩石动态损伤模型,对沟槽深孔微差爆破进行了数值模拟。计算结果较好地反映了爆炸荷载作用下岩石的损伤演化规律,客观地再现了爆破破岩的物理过程。