不同装药形式混凝土自由场应力波衰减规律的数值分析

采用LS-DYNA软件,根据试验结果,模拟条形装药接触爆炸下混凝土自由场的应力波衰减规律,得到各种材料模型参数,并给出三种不同装药形式混凝土中应力峰值与加速度峰值随距离变化的衰减规律。根据曲线拟和,得到其应力峰值与加速度峰值的衰减指数。计算结果表明,条形和柱形装药形式对应力波衰减特性影响不大,而球形装药形式影响较大。     

重复爆炸条件下地冲击效应试验研究

为探索常规武器重复打击下岩石介质中压力波及正压作用时间随传播距离的增加而衰减的规律,进行岩石介质中不同比例装药和比例距离的一次钻孔爆炸和重复钻孔爆炸试验。试验结果表明：在相同试验条件下,相同测点处一次钻孔爆炸所产生的峰值压力和正压作用时间要小于二次钻孔爆炸,其衰减速度要低于二次钻孔爆炸,但其衰减趋势均符合岩石介质中压力波衰减规律。对试验结果进行分析,给出峰值压力和正压作用时间随比例距离增加而衰减的关系曲线,并拟合得出相应的经验公式,揭示峰值压力和正压作用时间随比例距离增加而呈指数衰减的规律。     

BLU-113A/B与等量集团装药爆炸效应研究

通过数值模拟和TM5-855-1经验公式分别计算了集团装药爆炸的地冲击参数，以此证明模拟结果可信；对BLU-113A／B和等量集团装药爆炸引起的地冲击参数的数值模拟结果进行了对比，得出了比例爆距λ〉0．7二者的冲击参数差异不大；比例爆距λ〈0．3岩石峰值应力前者是后者的4倍以上的结论。     

超高速弹撞击岩石的地冲击效应等效计算

本文主要研究岩石中超高速撞击与浅埋爆炸的等效转换计算方法。基于超高速动能弹丸撞击岩石的地冲击效应与岩石中浅埋装药爆炸效应的相似性,将表面弹坑作为引起地冲击的震源,根据超高速撞击弹坑与浅埋爆炸弹坑辐射出的地冲击能量相等条件,建立超高速撞击与装药爆炸的地冲击效应的等效关系。通过理论推导,得到超高速撞击效应的等效装药量与无量纲撞击速度的关系,并给出能量换算系数与无量纲撞击速度的简化表达式。依据超高速弹体撞击花岗岩的试验结果,证明等效装药爆炸与超高速撞击的地冲击应力波形十分吻合,验证等效方法的有效性。计算分析表明当弹丸撞击速度足够大(Ma≥1.5)时,可以进行爆炸等效转换,撞击速度不断增大时,等效装药量不断增大,能量换算系数不断增大。根据本文提出的地冲击效应等效计算方法,得到5,10,15马赫撞击速度下不同弹丸质量与最小防护层厚度间的关系曲线。     

爆炸应力波引起地表位移的数值分析

将爆孔围岩粉碎区简化为一个圆形孔洞,将半空间表面假定一个半径为无穷大的圆弧,则爆炸应力在粉碎区表面产生向外传播的P波(压缩波),在半空间表面产生散射,而散射波在粉碎区上再次产生散射,如此多次散射,进而引起半空间表面的位移。根据粉碎区周边应力平衡和半空间表面完全自由的边界条件,求得了待定散射系数,并进一步得到了半空间表面的位移的理论解答。最后通过数值计算分析了不同爆炸应力峰值和爆炸源埋深对地表位移的影响,结果表明:(1) 在爆炸源埋深和爆孔围岩粉碎区大小等条件都相同的情况下,随着爆炸应力峰值的增大,地表振动位移明显增大,增大的数值基本上与爆炸应力峰值成线性比例;(2) 在爆炸应力峰值和爆孔围岩粉碎区大小等条件都相同的情况下,随着爆炸源埋深的增大,地表处水平位移和竖向位移明显减小,但减小的幅度由快变缓。     

重复爆炸条件下地冲击效应试验研究

 为探索常规武器重复打击下岩石介质中压力波及正压作用时间随传播距离的增加而衰减的规律，进行岩石介质中不同比例装药和比例距离的一次钻孔爆炸和重复钻孔爆炸试验。试验结果表明：在相同试验条件下，相同测点处一次钻孔爆炸所产生的峰值压力和正压作用时间要小于二次钻孔爆炸，其衰减速度要低于二次钻孔爆炸，但其衰减趋势均符合岩石介质中压力波衰减规律。对试验结果进行分析，给出峰值压力和正压作用时间随比例距离增加而衰减的关系曲线，并拟合得出相应的经验公式，揭示峰值压力和正压作用时间随比例距离增加而呈指数衰减的规律。     

重复爆炸条件下岩石介质破坏效应试验研究

 为了探索精确制导武器对岩石介质中地下防护工程实施重复打击后的毁伤效应问题,进行重复钻孔爆炸和一次性钻孔爆炸对比试验。试验结果显示：在装药总量相等条件下,二次钻孔爆炸所形成的爆坑直径与一次性钻孔爆炸所形成的爆坑直径近似相等,但爆坑深度和破碎区范围却分别是一次性钻孔爆炸的2倍和1.66倍。量测结果显示：试验中二次钻孔爆炸与一次性钻孔爆炸相同测点处峰值应力相差较大,相同测点处二次钻孔爆炸的峰值应力远高于一次性钻孔爆炸的峰值应力。计算结果显示：一次性钻孔爆炸的应力衰减指数为1.933,应力波传播速度约为4 800 m/s。最后根据应力波传播机制推算得出：在装药总量相等条件下二次钻孔爆炸所需防护层厚度是一次性钻孔爆炸所需防护层厚度的1.07倍。     

孔深影响爆炸应力波特性的数值分析

炮孔深度（装药长度）是影响岩体中爆炸应力波特性的因素之一。利用所编制的有限差分程序SMMIC计算了单自由面条件下，垂直炮孔爆炸应力波的传播过程。计算表明，炮孔深度（装药长度）增大，爆炸应力波峰值随距离的衰减指数减小。在算例中，4m和2m也深的爆炸应力波峰值随距离的衰减指数分别为1．35和1．56。     

端部加密锚固洞室在重复顶爆作用下的应力波传播及衰减规律

利用实验室抗爆模型试验装置,研究了端部加密和普通长密锚杆锚固洞室在重复顶爆作用下的应力波传播及衰减规律。端部加密锚固洞室和普通长密锚固洞室每一炮的拱顶压力峰值随着比例距离的增加呈幂函数逐渐衰减,并拟合出相应的幂函数曲线,前两炮拟合的应力波衰减指数均小于未受扰动岩石的衰减指数。两个洞室在爆炸应力波作用下,锚固区附近的岩石先被密实,然后不断损伤破坏。在相同的爆炸条件作用下,随着比例距离增加,两个洞室在相同比例距离时的压力差值逐渐减小;相同比例距离端部加密锚固洞室峰值压力比普通长密锚杆加固洞室峰值压力先大后小;端部加密锚杆加固洞室与普通长密锚杆加固洞室离加固范围最近测点的压应力峰值衰减规律比较相近,并且压应力峰值大小也比较相近。     

有限长柱形装药爆炸应力波传播分析

为研究有限长柱形装药爆炸应力波的传播问题,首先进行了小装药量在模拟围岩介质自由场中的爆炸试验,所测得的应力时程曲线上先后出现两个应力峰值,依次对应纵波和横波,并且横波的应力峰值受柱形装药长径比变化的影响较大;在试验基础上采用椭球面波形式分析有限长柱形装药爆炸应力波的传播,椭球波阵面传播速度在沿r和φ两个方向衰减,随着波阵面的膨胀,沿φ方向传播速度逐渐趋于零,椭球波阵面逐渐过渡到球形波阵面;利用特征线法推得了椭球面波纵波和横波波速表达式,与爆炸试验中测得的应力时程曲线上出现纵波和横波两个峰值的试验现象相互印证。     

石灰岩中爆炸成坑和地冲击传播规律的试验研究

简介了本课题研究的国内外现状，介绍了试验背景和试验方案，给出了石灰岩中爆炸成坑结果以及应力和加速度的实测波形，并对测试结果进行了分析，得到了石灰岩中爆炸成坑经验公式以及地冲击传播规律，结果给出现场石灰岩中应力波的传播速度大约为3500m/s。     

深部岩体力学研究与探索

当今世界经济的迅速发展,地球浅部矿物资源逐渐枯竭,资源开发不断走向地球深部。目前煤炭开采深度已达1 500 m,地热开采深度超过3 000 m,有色金属矿开采深度超过4 350 m,油气资源开采深度达7 500 m,深部资源开采已成为常态。但是深部资源开发中常伴随着重大灾害事故,难以有效预测与防治,一方面说明深部岩体可能存在着完全异于浅部的力学本构行为,另一方面说明目前岩石力学理论发展已滞后于人类岩土工程实践活动,难以进行有效、科学指导,亟待探索和开拓。目前人们对超深部的岩石性质和行为还缺乏了解,一些基本概念和基本理论还尚未建立。深部是什么?多深算进入深部?浅部和深部有什么本质不同?经典力学理论能否描述超深部岩体力学行为?如何揭示深部岩体开发扰动影响下那"看不见,摸不到"的黑箱力学过程?深部环境(如地震地质环境、化学环境、热力学环境和微生物环境)如何对能源开发与存储、CO2与核废料地质处置等重大工程发生在岩石中的微观过程共同产生影响等等,这些重大的、基础性岩石力学科学问题亟待人们做出回答。从煤炭开采中的岩石力学问题研究入手,对以上深部岩体力学的一些共性的概念性和基础性问题进行探讨。指出深部静水压力是深部岩体应力状态的典型基本特征。深部不是深度,而是一种力学状态。发展有别于传统岩体力学的基于应力空间路径的采动岩体力学。提出将CT技术、3D打印技术和分形重构方法及应力冻结技术相结合的深部岩体力学的可视化研究手段,再现深部岩体在开发扰动下应力变化、裂隙演化、体积破裂、塑性失稳以及微观渗流等的力学行为和过程。这些工作将为深部岩体力学研究带来方法上的进步。     

深孔水压致裂地应力测量及应力场反演分析

 万福煤矿是一座拟建特大型矿井,上覆冲积层厚度高达700 m,主煤层平均埋深达1 004.12 m。选择7个勘探钻孔、37个试验段进行深孔水压致裂地应力测量。为保证超千米深孔地应力测量的成功,对传统水压致裂法的测试技术和设备进行改进,提高系统的耐压能力和测试精度。测孔最大水平主应力与垂直主应力的比值较大,平均为1.97,说明勘探区现今应力场以水平应力为主导。测得的21个印模中有18个点位于NEE-SWW向,3个点位于NW-SE向,符合本区震源机制解得出的挤压应力场方向,且与新构造活动所反映的区域构造应力场方向一致。结合实际的地质条件和地层参数,在实测地应力结果的基础上,提出基于有限元三维地应力拟合分析法反演勘探区现今地应力场,给出煤层顶板主应力分布曲线并分析井下可能出现的各类不良地质现象。     

单点动载下路基动应力状态及有效作用半径分析

 基于传统的Boussinesq课题解答,利用集中荷载作用下半无限空间弹性路基中不同空间位置,且满足一定限制条件的点的应力应变状态的集合来表征单次行车荷载下路基岩土体内某一点加载、卸载全过程的应力、应变等力学响应,将动力学问题转化为准静力学问题,建立着眼于简单与实用的路基动力学行为分析模型。借助建立的模型探讨路基一个加载、卸载全过程的应力状态及其有效作用半径。研究表明,(1) 路基单元体动正应力差( )和( )曲线表现为脉冲状,而( )曲线为双峰状;(2) 最大主应力 绕z轴可能突发大角度旋转,但与z轴交角则连续旋转180°,最小主应力 整体旋转特征不甚明显,中间主应力 方向变化规律性较差;(3) 单次交通荷载对路基路面系统的有效作用半径确定为10 m,影响范围确定为以荷载作用点为圆心,以10 m为半径的空间半球体。最后,利用原位监测数据对确定单次交通荷载的有效作用半径为10 m的合理性进行验证。     

黏性土爆炸成坑和地冲击传播的离心模型试验研究

 以往研究结果表明化爆是一种体积效应引起的热力学现象,根据这一现象可以确定爆炸离心模型试验的能量比尺为1/N3(N为离心机加速度)。采用清华大学50 g•t土工离心机进行黏性土爆炸成坑和地冲击传播规律的离心模型试验,给出试验过程中实测加速度波形,对测试结果进行分析,得出黏性土中爆炸成坑和地冲击传播的一些认识：弹坑形成过程基本不受科氏加速度影响,但弹坑抛出物以及分布形态受科氏加速度影响;弹坑体积大小明显与重力加速度有关,小比尺模拟必须增加重力加速度来模拟。结果证明对于研究爆炸相关问题,土工离心机是一个非常有效的试验工具。     

兖州矿区某矿矿震活动规律研究

 根据兖州矿区某矿2004年11月～2009年3月监测矿震台网记录资料,研究了矿震震源定位精度的方法、震源空间分布与构造、较大矿震与原地应力、矿震与开采的关系。认为利用3分向矿震记录,并采用偏振分析和波形相关分析的方法可以提高震源定位精度;矿震发生与开采速度成正相关,在高发期与顶板周期来压呈相应同步关系,并且与开采进程不稳定程度密切相关的矿震导致顶板垮塌,形成强烈风暴摧毁了封堵墙。研究结果表明,3分向地震记录和波形分析在灾害性质诊断方面具有重要作用,为科学布置工作面,处置构造和高应力区,控制合理开采进度和防治矿震灾害提供了重要依据,是探索矿震预测的一条重要途径。     

隧道降水施工地表沉降的渗流-应力耦合分析

根据有效应力分析方法,建立了弹塑性渗流–应力耦合分析理论模型;采用流体体积方法方法来跟踪非稳定渗流场的动态自由水面,开发相应的数值模拟分析程序;并对某地铁隧道工程的动态降水过程和开挖过程进行仿真模拟,对降水和开挖过程中的地表沉降进行重点分析,得出动态变化的地表沉降曲线,通过将地表沉降计算值与现场量测值比较分析,两者数据吻合较好。研究结果表明,降水的影响半径约为30m,降水所引起的地表最大沉降值约为23mm,左右隧道施工完时地表最大沉降值约为43mm,施工期间周围建筑物和地下管线均无安全隐患。而通常采用30mm的控制标准,说明城市地铁工程的沉降控制基准要视具体的工程环境条件而定,这为该工程和类似工程施工提供了依据和参考作用。     

基于断层带瓦斯突出的巷道冲击波对围岩的三维动力效应

 为了探索断层带瓦斯突出对巷道围岩的三维动力效应问题,基于峰值超压和速度方程等波动基本理论,结合大平煤矿10.20瓦斯突出事故,应用LS-DYNA与LS-PrePost有限元软件,对冲击波传播特征以及巷道围岩的破坏规律进行了数值模拟。研究结果表明：(1) 沿巷道轴向,在扇形冲击波前锋与巷道顶板交界部位,岩体冲击质点的动力响应最为明显,速度峰值可达到78.015 cm/s,构成巷道围岩最大破坏区;最大破坏区前方为冲击波作用的盲区,岩体动力响应比较弱,本案例盲区长度约为2.1 m;最大破坏区后方为冲击波作用的衰减区。衰减区内围岩仍有侵蚀现象,本案例侵蚀区极限长达280 m;(2) 在巷道横向剖面上,冲击波对巷道侧壁的侵蚀相对较轻。距离掌子面120 m以内的范围内,顶板节点的速度和位移峰值均比侧壁节点的相应值高2～4倍;而120 m以外,顶板和侧壁的速度与位移值逐渐趋于相同。(3) 当岩体较为软弱时,其冲击质点振幅较大。当岩体弹性模量减小到0.05 GPa时,振幅已增加到64.776 mm,巷道破坏效应也相应增大。而硬岩中的冲击波衰减较慢,容易诱发地(矿)震。     

岩层裂缝分形分布相关规律研究

详细介绍了三个地质钻孔共计1000余米岩芯的裂缝分布分形统计研究结果，揭示出了同一地质体中，不同岩层裂隙分布的分形维数与岩层岩样强度模量积呈幂函数的相关规律，并从构造应力场作用使岩石变形破裂 的角度给出了明确的物理解释。     

可液化场地地震振动孔隙水压力增长研究的大型振动台试验及其数值模拟

基于数值模拟基本假设,运用有效应力原理以及振动孔隙水压力增长经验模式,采用应力循环孔压增量计算方法,直接针对非自由可液化场地基地震反应的大型振动台试验建立数值计算模型,并据此进行可液化场地基孔压动力增长数值模拟。数值模拟结果表明:分别在0.15g和0.50g El Centro波输入下,孔压在13 s之前无明显变化,至13 s瞬时增长,20 s左右达到最大值,并且自下而上峰期孔压比逐步增大;其中0.5g El Centro波输入下整个土层达到全部液化的孔压比,而0.15g El Centro波输入下仅上部土层具有局部液化的孔压比。同时由数值模拟结果可发现:由于桩-土动力相互作用,致使近桩区孔压较远桩区孔压高且在桩周附近形成一定孔压梯度,但对孔压增长趋势无太大影响;数值模拟获得的地基振动孔隙水压力增长规律与试验记录基本保持一致。总的来讲,这种孔压动力增长的数值模拟方法,在强震输入下基本能够刻画土层中孔压的动力增长过程,而弱震输入下的计算误差较明显。