水耦合装药爆破破岩机理的数值模拟研究

根据爆轰动力学和弹性波理论,分析了推算出水耦合装药爆破炮孔周围岩石中粉碎区和裂隙区半径,并用工程计算实例和ANSYS／LS—DANA数值模拟方法分析了装药不耦合系数对岩石破坏范围的影响。提出了炮孔水耦合炸药爆破在岩石中形成粉碎区时不耦合系数的计算方法,为光面爆破、预裂爆破装药结构参数的确定提供理论依据。     

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。     

爆炸载荷作用下岩石损伤破裂过程的数值分析

探讨了JWL爆源模型与朗道模型、应变强度分布模型与应变软化模型的异同点,并在CDEM源程序中引入了JWL爆源模型及应变强度分布模型。利用改进的CDEM程序研究了爆炸载荷作用下岩石损伤破裂的物理过程,重点分析了压碎区、破损区比半径及总破裂度随岩石应变强度的变化规律。研究发现：①最大应变强度是控制岩石破裂范围的关键量,最大应变强度从0.5%增加至5%,压碎区比半径从37降至4,破损区比半径从45降至12,岩石总破裂度从55%降至5%;②相同应变强度情况下,岩石更容易发生剪切破坏,剪切破坏产生的破坏区域的比半径较拉伸破坏产生的大2~5,总破裂度大3%左右;③拉伸破坏为主导（拉伸应变强度主控）,破损区的裂缝将沿着径向平直发展;剪切破坏为主导（剪切应变强度主控）,破损区的裂缝将弧状向外扩展。     

利用爆炸技术改善低渗透储层的实验研究

 为了更好地开发低渗透油气藏,首先介绍“层内爆炸”增产技术的基本思路,然后用水中炸药界面爆炸对水泥试样损伤破坏的实验来模拟水力裂缝“层内爆炸”增产中激波使岩石损伤开裂的现象。通过实验观察到3个损伤区域：压剪损伤区,拉伸损伤区和边界损伤区,并且微裂纹的启裂扩展与水泥试样的初始损伤有关。分析发现：压剪损伤区和拉伸损伤区内裂纹的密度与装药量相关;压剪损伤区和拉伸损伤区半径分别为装药当量半径的2～5和20～30倍;量纲分析表明,损伤区半径与装药当量半径成线性关系。通过简易渗透率实验,发现压实区有一定的渗透率,这对“层内爆炸”采油技术的研究具有重要意义。最后,定性分析激波在试样中的传播过程以及试样微裂纹的启裂扩展机制。     

岩体单孔及群孔齐发爆破爆炸荷载数值分析

采用广东岭澳核电站现场岩体的力学特性和基岩爆破参数,利用高能炸药的状态方程模拟岩石乳化炸药的爆炸过程,并假定岩石在爆炸产生的高应变率和高压环境下符合率相关的弹塑性本构关系,由此利用显式动力分析方法模拟单孔柱状装药和群孔齐发爆破柱状装药情况下的岩体爆炸应力波的传播过程,分析岩体爆炸粉碎区边界峰值应力的变化情况和衰减特征,并与相关理论公式进行比较,得到单孔和群孔齐发爆破情况下岩体爆炸荷载随装药量的变化规律。研究结果表明,爆源近区岩体爆炸冲击波压力急剧衰减;岩体爆炸峰值应力随装药量增加而增加;拉应力随药量的增长幅度远比压应力小;单孔药量的变化对岩体爆炸荷载的影响大于最大段药量的影响。工程实践中采用多爆孔小药量的爆破方式能有效减小岩体动态响应。     

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。     

高温条件下炮孔围岩爆炸冲击损伤特性研究EI北大核心CSCD

高温条件下脆性岩石的冲击损伤总体上反映了其开裂特性,对干热岩能源具有实际工程意义。通过对不同温度下花岗岩的霍普金森压杆破坏过程的模拟,得到能反映温度作用效应的HJC本构模型参数,研究不同温度条件下的花岗岩炮孔围岩的爆炸冲击损伤和开裂特性。结果表明,在爆炸冲击荷载作用下,炮孔周围的粉碎区对温度变化不敏感,而爆炸裂隙区在100℃温度时较常温显著增大,100℃~500℃范围则变化不大;其次,在保持爆炸冲击荷载峰值1 500 MPa不变的条件下,爆炸荷载加载速率增大,对常温围岩裂隙区有显著影响,而对高温围岩影响不明显;当爆炸荷载冲量增大或作用时间延长时,裂隙区范围显著增加,100℃~500℃范围高温围岩增加幅度更大。因此,在干热岩开采井下致裂过程中,为减小孔壁粉碎区、增大裂隙区范围,建议采用低爆速炸药,以控制炮孔周围粉碎区的范围,同时需增加装药量以延长荷载作用时间,从而增大裂隙区范围,达到更好的致裂效果。高地温虽然会在一定程度上影响炸药的冲击性能,但更有利于爆炸冲击致裂。     

爆破作用下层状盐穴难溶夹层垮塌效应解析分析

层状盐穴储库难溶夹层在自然条件下的垮塌具有不可控性,给水溶建腔和储库运营带来了诸多安全隐患,通过控制爆破可以促使难溶夹层可控垮塌,加快建腔速度。为分析难溶夹层的垮塌效应,在弹性力学理论基础上,分别建立夹层中间和板面装药2种情况的力学简化计算模型,推导难溶夹层板在爆破作用下的应力分量表达式。同时对爆破作用下夹层垮塌效应进行分析,根据材料的强度破坏准则,得到2种装药情况下夹层破坏的范围。针对某工程实例,应用推导的公式对爆破作用下夹层垮塌进行理论计算分析,结果表明:夹层中间装药时,不耦合系数从1.0变化到2.0,粉碎区半径为2~4倍钻孔半径,破裂区半径为6~9倍钻孔半径;夹层板面装药时,夹层下部的破坏范围比上部大,且夹层上边缘会发生受拉破坏。     

岩体单孔及群孔齐发爆破爆炸荷载数值分析

 采用广东岭澳核电站现场岩体的力学特性和基岩爆破参数，利用高能炸药的状态方程模拟岩石乳化炸药的爆炸过程，并假定岩石在爆炸产生的高应变率和高压环境下符合率相关的弹塑性本构关系，由此利用显式动力分析方法模拟单孔柱状装药和群孔齐发爆破柱状装药情况下的岩体爆炸应力波的传播过程，分析岩体爆炸粉碎区边界峰值应力的变化情况和衰减特征，并与相关理论公式进行比较，得到单孔和群孔齐发爆破情况下岩体爆炸荷载随装药量的变化规律。研究结果表明，爆源近区岩体爆炸冲击波压力急剧衰减；岩体爆炸峰值应力随装药量增加而增加；拉应力随药量的增长幅度远比压应力小；单孔药量的变化对岩体爆炸荷载的影响大于最大段药量的影响。工程实践中采用多爆孔小药量的爆破方式能有效减小岩体动态响应。     

空气不耦合装药爆炸应力场的理论与试验研究

空气间隔不耦合装药结构已在光面爆破中得到广泛采用。实践证明,随着不耦合系数的增大,炮孔附近的破碎区迅速减小。可减弱炸药对炮孔壁上的压力,同时减小使岩石过粉碎的能量,使炸药爆炸的能量得到充分利用。它还具有一定的贮能作用,将炸药爆炸的一部分能量转化为势能和动能,最后以静压的形式释放出来,进一步加强了静压对岩石的破坏作用。本文通过对空气不耦合装药条件下应力场的衰减规律及孔壁初始冲击压力等理论分析,并结合实验室模型试验得出了应力峰值的变化与不耦合系数的函数关系。     

Simulation of blast induced crater in jointed rock mass by discontinuous deformation analysis method

Rock blasting is a dynamic process accompanied with the propagations of shock waves and the dispersion of the explosion gas. This paper adopts the discontinuous deformation analysis (DDA) method to simulate the rock blasting process. A dynamic parameter adjustment and the non-reflecting boundary condition are implemented in the DDA method. The sub-block DDA method to simulate fracture problems is used. The blasting process in jointed rock mass is simulated by application of the explosion gas pressure on the expanding borehole walls and induced connected fracture surfaces around the boreholes. The blast craters with different overburdens are derived. The whole process including the explosion gas dispersion, borehole expansion, rock mass failure and cast, and the formation of the final blasting piles in rock blasting are well reproduced numerically. Parametric study for different overburdens is carried out, and the results are analyzed and discussed.     

Simulation of blast induced crater in jointed rock mass by discontinuous deformation analysis method

Rock blasting is a dynamic process accompanied with the propagations of shock waves and the dispersion of the explosion gas. This paper adopts the discontinuous deformation analysis (DDA) method to simulate the rock blasting process. A dynamic parameter adjustment and the non-reflecting boundary condition are implemented in the DDA method. The sub-block DDA method to simulate fracture problems is used. The blasting process in jointed rock mass is simulated by application of the explosion gas pressure on the expanding borehole walls and induced connected fracture surfaces around the boreholes. The blast craters with different overburdens are derived. The whole process including the explosion gas dispersion, borehole expansion, rock mass failure and cast, and the formation of the final blasting piles in rock blasting are well reproduced numerically. Parametric study for different overburdens is carried out, and the results are analyzed and discussed.     

锦屏二级水电站深埋隧洞开挖损伤区特征分析

在高应力条件下,岩体强度和应力之间的尖锐矛盾将导致围岩出现损伤,损伤是不同应力条件下围岩状态的直接体现。利用声波检测和钻孔电视对锦屏二级深埋引水隧洞的一典型断面进行全断面测试,声波测试结果显示,断面上低波速带断面形态呈不对称状,与断面应力分布也并不完全对应。在每个声波钻孔中补充钻孔电视,对破裂发育深度和围岩内部实际构造特征有了更直观的认识。为对损伤区特性进行更加准确的描述,利用FLAC3D计算在洞周不同位置处关键点的应力路径,对关键点的应力状态进行分析。在UDEC泰森多边形离散的基础上增加对于节理的描述,分析节理对损伤区分布的影响,模拟结果表明,节理的存在改变了隧洞开挖后洞周的应力分布,从而导致围岩破损和破坏区域的差异。最后,借助于颗粒流程序PFC对隧洞开挖后围岩的损伤区进行模拟,所揭示出的损伤局部化特征和损伤区、破裂区分布特征与现场实际具有很好的一致性。     

不同拼装方式的TRC永久性模板组合柱轴压性能试验研究

为研究TRC永久性模板的装配性能,设计了高强膨胀灌浆料、螺栓、环氧树脂砂浆以及螺栓和高强膨胀灌浆料相结合4种不同拼装方式的TRC永久性模板组合柱试件,通过轴心受压试验研究了该类组合柱的受力性能。结果表明：与素混凝土柱相比,TRC拼装永久性模板组合柱在破坏过程中展现出更好的控裂性能并且能够改善混凝土柱的裂缝开展模式;当采用螺栓和高强膨胀灌浆料相结合的方式进行拼装TRC永久性模板时,其轴心受压承载力最高,延性更好;与采用高强膨胀灌浆料进行TRC永久性模板拼装相比,采用螺栓和环氧树脂砂浆拼装时组合柱的承载力较高;与仅采用环氧树脂砂浆拼装相比,采用螺栓拼装时其对于核心混凝土的约束效果更强。最后,提出了TRC永久性模板组合柱轴压承载力理论计算公式,将试验值与理论值进行对比,验证了该理论计算公式的适用性。     

大直径钻孔卸压机理室内及数值试验研究

钻孔卸压能够有效降低巷道上方及其周围岩体弹性能量的积聚,降低区域冲击危险性。因此,对大直径钻孔卸压机理及其合理参数的深入研究具有工程应用价值。通过室内试验研究孔径、孔间距及孔深等参数对试样强度的影响,以及分析不同参数影响下试样破坏形态;同时借助颗粒流PFC研究不同参数条件下试样裂纹扩展形态及裂纹数量。研究表明:裂纹扩展贯通导致的应力释放是钻孔产生卸压作用的根本原因,且孔径、孔深越大,钻孔周围裂纹数量越多,主控裂纹纹路越清晰,钻孔卸压效果越好;同样随着孔间距越小,试样破坏形态由独立型破坏转变为贯通型破坏,试样破坏强度明显降低,卸压效果明显。     

拉伸条件下锚杆对含表面裂隙类岩石试样加固效应试验研究

选用改性橡胶粉–水泥砂浆来模拟真实岩石,用玻璃纤维增强塑料作为锚杆材料,研究锚杆对三维表面裂隙岩体的加固止裂效果。结果表明,锚杆提高了裂隙岩体的变形模量和单轴抗拉强度,变形模量随锚固角的增大而增大,而单轴拉伸随锚固角的增大先增大后减小,当锚固角β=45°时,锚杆对单轴抗拉强度的提高幅度最大;锚杆通过其抗滑移和抗剪切性能使裂隙岩体避免发生脆性破坏,并且在预置裂隙起裂之后存在不同程度的残余强度;单轴拉伸条件下加锚或无锚裂隙试件的破坏均以预置裂纹尖端为突破口产生翼裂纹,其扩展方向大致与轴向拉应力方向垂直。当锚固角小于某个临界值时,会有次生裂纹产生;拉伸条件下,含裂隙试件的破坏机制是张拉型裂纹的贯通作用。     

先张法预应力钢绞线高强混凝土大直径管桩受弯性能研究

为研究大直径钢绞线管桩的受弯性能,对3根不同直径钢绞线桩进行足尺试验、理论分析和有限元模拟,对比研究了大直径钢绞线桩的开裂弯矩、裂缝开展及分布、受弯承载力、变形延性和破坏特征等。结果表明：大直径钢绞线桩受弯破坏时受压区高强混凝土压溃,截面中心轴以下钢绞线都达到屈服强度,具有较高的受弯承载力和良好的变形延性;理论分析方法能够较好地预测大直径钢绞线桩的受弯承载力;建立的有限元模型可以合理地模拟大直径钢绞线桩的受弯性能,模型计算结果与试验结果吻合较好。     

Investigation on flexural behavior of pretensioned prestressed steel strand high strength concrete large-diameter pipe piles

为研究大直径钢绞线管桩的受弯性能，对3根不同直径钢绞线桩进行足尺试验、理论分析和有限元模拟，对比研究了大直径钢绞线桩的开裂弯矩、裂缝开展及分布、受弯承载力、变形延性和破坏特征等。结果表明：大直径钢绞线桩受弯破坏时受压区高强混凝土压溃，截面中心轴以下钢绞线都达到屈服强度，具有较高的受弯承载力和良好的变形延性；理论分析方法能够较好地预测大直径钢绞线桩的受弯承载力；建立的有限元模型可以合理地模拟大直径钢绞线桩的受弯性能，模型计算结果与试验结果吻合较好。     

岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例

 为研究片状岩石渐进性破坏,首先对其应力门槛值：裂纹起始应力 、裂纹破坏应力 、单轴抗压峰值强度 及相互间的关系进行系统的总结和论述。基于片状岩石--丹巴二云英片岩单轴压缩试验轴向应力–轴向/ 径向应变曲线,首次将岩石渐进性破坏过程应力门槛值分析应用于片状岩石,得出加载方向与片理面方向平行、垂直和成30°夹角3种加载条件下的应力门槛值,并将其与其他岩石种类的应力门槛值研究结果进行比较。结果表明裂纹扩展过程与岩石种类有关,不同岩石矿物颗粒、胶结状况、片理面发育情况等因素都会影响岩石的渐进性破坏过程,从而对应不同的应力门槛值范围。二云英片岩的试验结果直接表明,由于片理面的发育,片状单轴压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性,这一特点显著区别于其他种类岩石,在地下工程开挖中应对其进行具体的量化分析,以指导开挖设计和支护加固。     

卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。