深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应

深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应对于国防和民防工程及其他抗爆抗震工程的防护设计和效应分析具有重要意义.国内外通过核试验、大型化爆试验、小型模拟实验、材料特性研究、理论解析、数值模拟等方法取得了一些研究成果,但有许多问题解决得不够系统和完备.基于工程观测资料,采用现场试验数据综合分析、小比例化爆模拟实验和岩石脆性破坏模型的三维动力有限元数值模拟的方法,研究了深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下随着各种条件的变化而发生的破坏效应.根据爆炸硐室工程破坏现象和相关力学条件,总结了硐室宏观破坏的一般图象、变化特征和影响因素等规律,编制出新的硐室破坏分区表,可供类似条件下的工程概略设计与分析使用.水泥砂浆材料小比例化爆模拟实验表现了完整多孔硬岩中硐室应力波破坏的特征,是对核试验成果的有益补充.水泥砂浆中硐室破坏方式表现为压垮、围岩强烈塑性变形和产生裂隙,硐室稳定性比裂隙硬岩中要好,存在口部加剧效应和多硐相互作用.扫描电镜试验表明,硐室微观损伤破坏变化规律与宏观破坏现象是一致的,可以用水泥砂浆中的砂粒是否明显破坏作为硐室发生宏观严重破坏的微观标志.根据微观损伤特征,可以看出硐室破坏随比例距离、硐室轴向、断面形状和尺寸而变化的趋势.同等条件下,直墙拱顶形硐室比圆形硐室破坏严重,大硐室比小硐室破坏严重,且应力波从侧向作用的硐室比应力波沿轴向作用的硐室、直墙拱形硐室比圆形硐室的尺寸效应强烈.在数值模拟研究中,采用了实测经验应力波规律和能表现材料破坏后性能劣化及脆性破坏非连续各向异性发展的材料模型,建立了适用的硐室工程破坏准则,编制了动力有限元参数化分析的计算程序,计算了大量模型的硐室破坏历程和最终工程状态.工程实例计算表明,数值模拟方法是合理可行的.通过数值模拟研究了荷载特征参数以不同方式变化、硐室大小、形状和轴向不同以及存在围岩松动圈、岩体各向异性弱化时和水饱和岩体中硐室受应力波破坏的效应.数值模拟表明,其他条件相同,硐室破坏程度随比例距离非线性地单调变化,在破坏方式有明显改变时硐室破坏形态会突变.当量、作用时间、硐室轴向、围岩松动圈、各向异性围岩弱化及岩体水饱和因素对硐室破坏的影响与荷载量级有关,当荷载较低时与荷载较高时影响效果不同,有时截然相反.硐室尺寸加大会使破坏形态改变,破坏加剧.在抗水平爆炸应力波作用下,矮墙拱顶形硐室比高墙拱顶形有利.药量立方根几何相似律对岩硐破坏具有较大的局限性.在载荷较高而峰值相同时,当量愈大硐室破坏愈重,载荷作用时间愈长硐室破坏愈厉害.围岩松动圈能使围岩拉应力状态削弱、压剪性破坏增强.围岩定向弱化能明显改变硐室破坏形态,弱化方向的影响非常突出.水饱和岩体中的硐室在应力波较强时比干花岗岩中破坏强烈,但应力波较弱时却相反.化爆模拟实验和数值计算都表明,在一定的载荷量级以下,对本来可能严重破坏的硐室进行全断面钢板衬砌加固是有效的.     

岩石爆破破坏界面上的应力时程研究

根据岩石爆破变形与破坏特征，利用空腔膨胀理论对爆破破坏区的破坏特性进行了研究，给出了破坏区范围大小及破坏区与未破坏区(弹性振动区)交界面上的应力变化时程曲线。借助经典的爆炸力学理论和回归拟合曲线方法，验证了爆炸空腔大小、应力波的应力峰值、应力波的作用时间。数值分析计算结果表明，理论计算的应力波时程特征与经典爆炸力学给出的时程特性基本一致。     

岩石中爆炸应力波衰减规律

总结了岩石中爆炸应力波衰减规律,指出柱状药包和球状药包的爆炸应力波衰减存在区别,为更加符合实际需要考虑岩石的粘性,为工程爆破理论的分析、计算和设计提供了理论基础。     

深埋岩石砸室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应

深埋岩石侗室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应对于国防和民防工程及其他抗爆抗震工程的防护设计和效应分析具有重要意义。国内外通过核试验、大型化爆试验、小型模拟实验、村料特性研究、理论解析、数值模拟等方法取得了一些研究成果,但有许多问题解决得不够系统和完备。基于工程观测资料,采用现场试验数据综合分析、小比例化爆模拟实验和岩石脆性破坏模型的三维动力有限元数值模拟的方法,研究了深埋岩石用室在爆炸应力波荷载作用下随着各种条件的变化而发生的破坏效应。 根据爆炸用室工程破坏现象和相关力学条件,总结了阑室宏观破坏的一般图象、变化特征和影响因素等规律,编制出新的用室破坏分区表,可供类似条件下的工程概略设计与分析使用。 水泥砂浆材料小比例化爆模拟实验表现了完整多孔硬岩中用室应力波破坏的特征,是对核试验成果的有益补充。水泥砂浆中用室破坏方式表现为压垮、围岩强烈塑性变形和产生裂隙,用室稳定性比裂隙硬岩中要好,存在口部加剧效应和多酮相互作用。 扫描电镜试验表明,炯室微观损伤破坏变化规律与宏观破坏现象是一致的,可以用水泥砂浆中的砂粒是否明显破坏作为用室发生宏观严重破坏的微观标志。根据微观损伤特征,可以看出酮室破坏随比例距离、用室轴向、断面形     

花岗岩中化爆的自由场应力波传播规律分析

总结分析了在花岗岩中进行的l～150kg TNT系列化爆试验的应方波测试数据，按岩性区分，给出了相应的自由场应力波衰减规律，其地运动参数的规律较强。与核爆结果对比表明，化爆试验的应力波衰减较快，其原因在于小药量化爆的应力波传播对岩体状况较敏感。基于化爆试验测试结果和现场岩性及工程施工状况，分析了应力测值偏低和分散的原因，讨论了现场应力波测试中所需注意和解决的问题，指出用粒子速度测值转换的应力比直接测量的应力更能反映现场岩体中的应力状况。     

应力波随机入射情况下均质岩石杆件断裂规律的理论分析

 从应力波随机到达的角度对均质岩石杆件动态断裂规律进行理论分析。通过对三角形、矩形、指数衰减3种典型的应力波在几个特定入射时间传至一维均质岩石杆件的自由端后入、反射波叠加产生的纯拉应力的理论计算,对岩杆断裂的可能性、时间、次数和长度进行系统的分析,得到断裂次数及长度与应力波峰值及入射时间的确定关系,揭示某些岩石冲击破坏工程随机现象背后的固有本质。     

塑性区沟槽对爆炸应力波屏蔽效应研究

 设置在爆破塑性区内的屏蔽沟槽对爆炸应力波具有一定的阻隔效应。为在实验室模拟研究地下爆炸塑性区沟槽对爆炸应力波的屏蔽作用,采用0.125 gTNT当量的微型炸药球作为爆炸源,在?1 370 mm×1 200 mm的黄土化爆试验平台上进行沟槽阻隔爆炸应力波的微药量化爆模拟试验。从理论及试验结果分析等方面研究沟槽深度H对爆炸应力波的屏蔽作用。结果表明：(1) 塑性区沟槽对爆炸应力波屏蔽效应的力学机制不同于弹性区沟槽;(2) 以粒子速度、位移幅值度量的屏蔽系数在沟槽屏蔽区域内存在极大值;(3) 塑性区沟槽对爆炸应力波有延迟效应;(4) 试验结果定性地验证沟槽屏蔽爆炸应力波的理论分析,两者结论一致。     

利用岩石断裂强度来估算地下岩体水平应力的范围

 地下岩体的垂直应力一般可用其上部覆盖岩体的平均比重乘以其深度来估算,但是水平应力却很难估算。基于岩石断裂韧度是一个常数,利用共线裂纹模型建立裂隙岩体的稳定条件,并应用该稳定条件来估算水平应力的范围。估算结果符合现场的测试结果,表明这一估算方法是有效的、可行的。利用该裂隙岩体稳定条件能很好地解释水平应力与垂直应力之比在浅部地壳中分布在较宽的范围内,但在深部区域内却分布在一个狭小的范围内这一现象。     

不同地应力下爆炸应力波在节理岩体中传播规律模型试验研究

 通过模型试验研究不同地应力下应力波在节理岩体中的传播规律,同时考虑节理数量的影响,并推导地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程。首先,通过导爆索产生爆炸应力波,监测不同位置的应力,研究地应力下节理岩体中应力波传播的衰减组成,并分析地应力以及节理数量对应力波衰减的影响,其次,考虑地应力对非线性节理模型的影响,结合时间递归分析法,得出地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程,并将计算结果与试验数据进行对比分析。研究结果表明,高地应力下,爆炸应力波在节理岩体中传播时,其衰减主要由岩石材料和节理两部分分别引起的衰减叠加组成,随着地应力增加,节理岩体对应力波的衰减增强,其中岩石材料对应力波的衰减作用加强,而节理引起的衰减减弱。     

采用改进的RDCDMC模拟花岗岩非弹性区爆炸应力波传播

 针对爆炸加载下花岗岩表现出不同于混凝土的特点,对RDCDMC岩石本构模型中的状态方程进行改进;考虑塑性体积变形对拉伸状态定义的影响并采用主应力拉伸失效准则。微装药填实爆炸应力波的数值模拟结果验证改进的RDCDMC能表征非弹性区花岗岩的响应特点,能用于应力波传播的模拟。     

爆炸荷载下缺陷岩体的动态响应

 根据试验结果建立在爆炸荷载下含缺陷岩体的接触爆破模型,所考虑的缺陷为孔洞、孔隙和微小的张开型节理等,并考虑2种情况,一是缺陷含有水,另一种是空缺陷。依据现有花岗岩的试验结果,通过拟合得到其冲击状态方程,并将其应用于炸药附近的花岗岩,而对于远离炸药的花岗岩,采用线性状态方程,并采用改进的主应力破坏准则来确定花岗岩的破坏状态。根据试验结果,将花岗岩的动态强度设计成随应变率变化的变量。模拟结果表明,在爆破荷载下,当缺陷内含有水时,岩体的动态强度降低;缺陷密度越大,其岩体的破坏范围越小;巷道附近的爆破会在巷道自由表面处产生层裂裂纹,结合巷道挖掘过程中产生的径向裂纹,巷道的围岩会被切割成很多块体而发生剥落,进而可能导致岩爆。     

应力波在有地下复合结构的岩石介质中传播规律研究

复合结构在抗动荷载方面具有明显的优势，它比一般的结构能够吸收更多的冲击能量。根据φ2．5m爆炸模拟器上所做的实验结果和动力有限元方法对应力波的传播进行的计算，对应力波在有软回填层的地下复合圆形结构的介质中传播规律及与复合结构体系的相互作用进行了分析研究，给出了应力波在有软回填层的地下复合圆形结构的介质中传播规律。     

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。     

锆合金碘致应力腐蚀开裂应力强度因子阈值和开裂速率模型的研究

轻水堆的燃料包壳锆合金发生碘致应力腐蚀开裂(ISCC)是诸多因素共同作用的结果,确定应力强度因子阈值(KISCC),建立开裂速率模型是ISCC的主要工作。在ISCC众多的影响因素中,对KISCC影响最大的是织构、温度、快中子注量、碘浓度。本文根据实验数据拟合出KISCC的经验模型公式,并修正了开裂速率模型。结果表明,KISCC模型和修正后的开裂速率模型能够与试验结果符合较好。     

初始应力对应力波传播及块体运动规律影响研究

 借助理论模型和试验测试结果分析初始应力对岩石弹性波速的影响,运用数值模拟手段对比研究爆炸扰动作用下不同初始应力时的应力波形状,包括质点应力、位移和速度,得到初始应力对应力波传播影响的一般规律。建立构造块体在爆炸扰动下的运动模型,通过对模型的计算和分析,研究不同初始应力下单个块体的相对位移。研究结果表明：(1) 在低初始应力下,岩石中的弹性波速随压力增大而迅速增大,增大的梯度在低应力下较高,在高应力下趋于一常数值;(2) 当初始应力增大时,相同距离处的峰值径向应力和峰值位移会降低,而且衰减较快,波形变窄;(3) 块体间的相对位移与初始应力的大小成反比。     

应力波通过非线性平行节理的能量分析

 应力波在节理岩体中传播规律的研究是开展地下工程安全性分析的基础。着重研究纵波(P波)以任一角度入射一组非线性平行节理的能量传递规律,其中节理的法向模型采用双曲线型的BB模型,而节理的切向模型为线性模型。首先,基于应力波在时域内的递归分析方法,建立P波通过某一岩体的应力波传播方程,其中该岩体中存在一组非线性平行节理;其次,通过计算应力波通过该岩体前后的透反射能量,分析应力波能量大小的改变;最后,引入透射能量系数与反射能量系数,对影响能量传递的因素开展参数分析,即研究节理的初始刚度、间距、数量以及应力波幅值、频率和入射角度等因素对P波能量传递规律的影响。研究表明,应力波在节理处的能量传递规律不仅与节理的力学特性有关,而且也和节理的空间分布相关,且当应力波的物理特性如频率和波幅发生改变时,能量传递规律会出现不同的变化。     

岩石爆炸动力学的若干进展

 论述岩石爆炸动力学原理及其工程应用研究近年来的若干进展,主要内容包括爆炸空腔范围以及各类破坏区范围的理论确定方法,地下爆炸近区的“短波”和“弱波”理论,爆炸远区——弹性区的运动和力学参数以及地下爆炸时岩石破碎等理论研究成果。同时还介绍了实验室条件下均匀介质中爆炸效应的规律和地应力、裂隙、浅埋时等不均匀、不连续性影响因素的实验室模拟爆炸试验研究。在相关研究的基础上,给出实际岩体中的爆炸效应试验,包括近区破坏效应、远区地震效应、不可逆变形区以及地下爆炸和浅埋(抛掷和定向)爆炸中相似关系的最新成果。此外,简要介绍岩石爆炸动力学在不同领域中的工程应用,并就今后岩石爆炸动力学研究的展望阐述一点认识。     

深埋洞室岩体开挖卸荷诱导的围岩开裂机制

 针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用双向受压条件下的压剪裂纹扩展模型和应力强度因子计算公式,分析开挖面上岩体应力瞬态释放和邻近的围岩应力瞬态调整对围岩开裂过程的影响。结果表明,与准静态卸载条件相比,开挖面上岩体应力瞬态释放在围岩中产生附加动应力,导致围岩径向卸载和环向加载效应放大,加剧了深埋洞室围岩开裂效应,导致开裂范围增大;开挖卸载速率越快,围岩中产生的附加动应力幅值越大,围岩的开裂效应越显著。     

地下强爆炸岩石破坏动力效应分析

为研究地下强爆炸岩石破坏动力效应,借助有关地下爆炸试验成果,研究强爆炸作用下岩石的单轴抗压强度、纵波速度及孔隙度等物理力学性状的变化规律,分析初始荷载强度、荷载压力波形等爆源参数对爆炸破坏效应的影响,对爆炸近区、剪切破碎区及非破坏荷载区岩石的状态方程分别进行阐述.结果表明:在地下强爆炸近区,岩石的单轴抗压强度降低,在距爆心35～40 m/kt1/3的比例距离,岩石的单轴抗压强度与没有破坏时的单轴抗压强度值接近;爆源参数对岩石动力破坏效应有较大影响;破坏区半径、药室腔壁膨胀速度及最大质点速度等随爆源初始荷载强度的增大而增加;裂缝开展及分布尺度受荷载率的控制.     

爆炸动载荷下裂纹扩展规律的实验研究

 为研究在爆炸动载荷作用下岩石内裂纹的起裂及扩展规律,应用PMMA材料制作带裂纹平板试样,在距离裂纹尖端60 mm的圆周上设置与裂纹成不同角度的炮孔,然后引爆雷管来实验研究裂纹的动态起裂及其扩展规律,系统地研究爆炸应力波入射角对裂纹起裂角和扩展角的影响规律。实验结果表明,入射角为0°时,起裂角为0°,即裂纹沿原裂纹面扩展;当入射角大于15°而小于75°时,在裂纹的两端会产生翼型裂纹,其翼型裂纹的起裂角及扩展长度都与入射角有关;当入射角大于75°时,新生裂纹很小。