不耦合装药爆破荷载作用时间研究

不耦合装药爆破因其可以较好地控制轮廓成型质量而被广泛使用。在进行爆破非流固耦合数值模拟时通常需要将爆破荷载简化成半经验、半理论的荷载形式施加到炮孔壁进行数值模拟,其中爆炸荷载的冲击波作用时间和爆生气体作用时间是两个关键输入参数。综合已有研究成果、动力有限元数值模拟和现场爆破试验的高速摄影数据对不耦合装药爆破荷载作用时间进行分析,初步得出不耦合装药爆破的冲击波作用时间约为几十微秒,爆生气体作用时间约为10 ms量级。     

爆炸应力波在层状节理岩体中传播规律及数值模拟

为了得到爆炸应力波在层状节理裂隙岩体中的传播与能量衰减规律,以便更好地研究围岩结构动力稳定性,以凤凰山铁矿为研究背景,建立了2种巷道模型:一种在巷道上方预设2个平行的水平节理,另一种不含节理。通过进行相似理论与试验研究和FLAC^3D数值模拟软件的非线性动力反应对比分析,在输入爆破荷载后,分析在不同时刻和位置时,完整岩体的地质力学模型和节理岩体的地质力学模型的爆炸应力波质点速度。结果表明:爆炸应力波在节理岩体中的衰减比在完整岩体中的衰减快;在同一质点处,各方向上的衰减各不相同,并且2种方法的结果几乎相同。研究成果为爆破应力波规律的把握和对巷道进行支护提供了重要的理论依据。     

爆破荷载对隧洞围岩稳定的影响研究

该文以数值模拟为主要手段,研究隧洞爆破开挖施工引起的围岩动力响应及其对围岩稳定性的影响.研究表明,隧洞爆破开挖施工时,爆炸冲击荷载会在短时间内造成围岩的破坏,随后主要以爆破振动的形式作用于近区围岩.     

爆源因素对岩体开挖爆破振动频谱特性的影响研究

为了更好地控制爆破振动的影响,通过理论分析推导了三角形爆炸荷载的频域表达式及球状药包、长柱状药包爆炸诱发振动的频域解析解,并采用基于爆炸荷载等效模拟的动力有限元方法分析了单孔爆破诱发振动的主频衰减规律,在此基础上讨论了爆源因素对岩体开挖爆破振动频谱特性的影响。结果表明,爆源因素对爆破振动频谱构成及主频衰减规律具有一定的影响。爆破荷载上升时间主要影响爆破振动的频谱范围;爆破荷载持续时间、装药量及装药结构等因素主要影响爆破振动频谱的高低频成分比例及主频衰减速度。     

水下炸礁冲击波对桥墩作用的数值模拟

通过开展水下单点爆破冲击波形态数值研究,准确模拟了水下爆破过程中气云和冲击波演变特征,再现冲击波压力及气泡形态历时变化,分析了水下爆破冲击波形态特征及其传播规律。在此基础上,结合水下爆破冲击波与桥墩相互作用,研究桥墩结构在冲击波作用下的响应特征,结果表明：冲击波与桥墩作用后在墩底处多波作用下伴有震荡,在自由水面处受冲切作用。     

空气间隔装药爆破损伤特性数值模拟研究

空气间隔装药广泛地应用于各类岩石爆破开挖工程中,装药结构对爆破效果有显著的影响。采用动力损伤模型对不同工况下的岩体爆破损伤分区进行分析,数值计算结果表明,空气间隔的存在改变了炮孔内爆炸荷载分布规律,爆轰产物的轴向运动改变了爆炸能量的释放与传输过程。采用三段装药的空气间隔装药结构爆破所形成的整体破坏效果和耦合装药时相近。因此,通过合理地布置空气间隔,可以显著地降低炸药用量。     

爆破振动作用下东江拱坝动力响应的数值模拟

爆破开挖引起的振动对近区水工建筑物的影响是事关工程安全的重大问题。以东江水电站为工程背景,基于LS-DYNA数值软件,模拟爆破开挖下拱坝的动力响应。对以大坝为中心的整体三维模型进行模态分析,确定阻尼系数;在爆源施加等效三角形近似荷载,计算过程中记录模型关键部位测点的振动速度时程曲线,以此来评价坝体的动力响应。结果表明:爆破振动作用下,坝体关键部位的振动速度都在控制标准内,拱坝能够安全运行。     

爆炸荷载下泡沫铝复合结构耗能性能分析

爆炸荷载产生的冲击波可能会对人员和建筑物结构造成极大的损伤,提出泡沫铝与钢板组成的复合缓冲耗能装置,以期对人员和建筑物结构达到有效的保护作用,为此,对其耗能性能进行了分析。采用有限元数值分析的方法研究了爆炸荷载作用下复合缓冲耗能装置对空气冲击波的衰减特性,并对这种复合缓冲耗能装置进行了优化设计,分别对不加任何保护层、仅加一层钢板保护层、加钢板和泡沫铝复合保护层三种结构在爆炸冲击荷载下的空气冲击波超压特性进行数值模拟。结果表明,泡沫铝复合保护层对减轻作用到结构上的爆炸荷载及降低空气冲击波超压峰值具有非常显著的效果,而且复合缓冲装置中的泡沫铝层厚度是具有一个最优的厚度值。利用该装置能够有效的降低爆炸所产生的空气冲击波超压,能够保护人员及结构的安全。     

台阶地形对爆破振动波传播影响的数值模拟研究

岩体的质点振动幅度和频率与建(构)筑物的失稳和破坏关系十分密切,而台阶地形会对爆破振动波的传播规律产生明显影响,因此研究爆破荷载作用下台阶地形的动力响应具有重要意义。基于FLAC2D程序,采用平面应变模式,假定爆破荷载为三角形脉冲波并垂直施加于孔壁,模拟分析了爆破荷载作用下台阶地形的动力响应。首先研究了台阶的高程放大效应,发现随台阶高度增加高程放大系数先增加后减小,放大系数存在一个极大值,这与现场试验结果相符,说明了数值模拟的可行性。其次,通过在地表不同部位布置振动监测点分析了质点振动幅度峰值(PPV)沿地表的分布规律,结果表明PPV的分布特征与台阶的高度和倾角密切相关。最后,采用傅里叶变换分析了爆破振动波的频谱特性,发现爆破振动波通过台阶地形时其低频成分所占比重随台阶高度增加而增加。     

炮孔内爆炸荷载非均匀性对激发动应力场的影响

由于炸药爆轰波的传播以及炮孔堵塞物冲出后爆生气体的非定常逸出过程,柱状炮孔内的爆炸荷载压力沿炮孔轴向呈不均匀分布。采用LS-DYNA动力有限元软件计算探讨了爆炸荷载分布不均匀性对岩体内激发动应力场的影响。计算结果表明,激发的径向压应力和环向拉应力在孔底段最大、在孔口段最小,且应力波在孔底段持续时间最长;爆炸荷载分布的不均匀性对环向应力影响更大;但荷载的非均匀分布对激发动应力场的影响仅局限在炮孔近区岩体内,且应力差值较小,非均布爆炸荷载与均布爆炸荷载在远区的计算结果是一致的。     

水电工程边坡炮孔近区岩体爆破损伤特性

为研究水电工程边坡炮孔近区不同损伤模型下岩体爆破时的动力响应,选用HJC模型和RHT模型分别建立岩石单孔爆破损伤模型。基于岩体损伤模拟结果和计算分析,探究了两种损伤模型对岩石爆破损伤分布、地震波能量特性及损伤质点峰值振动速度(PPV)阈值变化规律的影响,结果表明同种工况下RHT模型最终爆破开裂面积近似为HJC模型的一倍;损伤范围越小,炸药冲击波转化为弹性振动波的比例越大;通过拟合损伤度和PPV之间的关系,HJC模型和RHT模型的损伤PPV阈值分别为13.09 cm/s和27.29 cm/s。RHT模型能够更加准确地反映实际边坡近区岩体爆破损伤效应。     

水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的破坏效应

在相同炸药量下水下爆炸对混凝土重力坝的破坏效应强于空中爆炸,因此需重点关注水下爆炸冲击下的混凝土重力坝的毁伤机理。考虑爆炸作用下混凝土的高应变率效应、冲击波与结构的动态相互作用以及结构的非线性动态响应等复杂问题,基于Lagrangian-Eulerian全耦合方法建立水下爆炸混凝土重力坝耦合模型,对近坝水下爆炸冲击波传播特性进行分析,得到了水下爆炸冲击下混凝土重力坝的毁伤破坏过程及毁伤机理。研究表明,水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的毁伤模式主要有爆炸成坑破坏、气穴冲切破坏、震塌拉伸破坏、冲击波冲切破坏、弯曲破坏和整体拉伸破坏。     

柱状装药的爆破漏斗破坏分析

运用爆炸冲击波和应力波的理论及其在岩石介质中的传播和反射规律,对球状装药产生的爆破破坏范围进行了研究,导出了球状药包的岩石爆破漏斗计算公式。应用Starfield迭加原理,推导确定了延长药包(柱状药包)爆破漏斗参数的理论解。     

水环境对水下钻孔爆破影响机制研究

为研究水下钻孔爆破中水环境对爆破效果的影响机制,以重庆新白沙沱长江特大桥3号墩基础水下爆破工程为例,对水下爆破钻孔爆破作用原理进行了分析,并使用ANSYS/LS-DYNA有限元程序分别对水下钻孔爆破与陆地钻孔爆破过程进行了数值仿真计算。在数值计算的基础上,结合爆破漏斗试验结果、冲击波特性和水介质固有特性,对陆地钻孔爆破和水下钻孔爆破的动力响应特征展开对比分析。研究表明:由于水环境的存在,水压的影响使水底界面附近的Mises等效应力小于同位置的陆地钻孔爆破处数值;在相同压力下,水下爆破漏斗体积均小于陆地爆破漏斗体积,在相同的药量条件下,水越深产生的爆破漏斗体积越小;同陆地钻孔爆破相比,水环境的存在会加快爆炸冲击波的衰减,从而削弱破岩效果。     

动力作用下危岩稳定性计算的断裂力学方法

为研究爆破对危岩体稳定性的动力作用,通过应力波衰减规律,得到爆破应力衰减至危岩体重心的动荷载表达式。考虑爆破荷载建立了3类危岩体主控结构面断裂因子计算方法,进而提出了危岩动稳定性时程分析方法。利用该方法对重庆市万州区太白岩5个危岩体动力稳定性进行了计算分析。分析表明,爆破动力作用下3类危岩体最小稳定性系数明显降低,某些危岩在爆破动力作用下由稳定状态变为非稳定状态,有崩塌趋势。上述危岩体动力稳定系数时程曲线表明,爆破动力过程中危岩稳定性系数随时间上下波动,随着爆破应力波的衰减,动稳定系数峰值总体呈现出递减趋势,总体趋向于天然工况下的断裂稳定系数;随时间推移,爆破动力作用周期变长,加剧了危岩体的危险性。      

近边界面的水下爆炸冲击波传播特性及气穴效应

炸药在水下起爆后,产生的冲击波在传播过程中将主要遇到两种边界面:自由水面和结构面边界,而这些边界面的存在将显著影响冲击波的传播特性。考虑冲击波与自由面及结构面的动态耦合相互作用,基于Lagrangian-Eulerian耦合算法,建立了近边界面水下爆炸全耦合模型,通过与已有文献的研究成果及经验公式进行对比,验证了数值模型的可靠性;对自由场、近自由面、近背空气结构面及近背水结构面水下爆炸的冲击波传播特性进行了系统的研究,探讨了不同边界面条件下的水下爆炸冲击波传播特性机制。研究表明,近边界面对水下爆炸冲击波传播特性具有重要的影响,近自由面和近背空气结构面水下爆炸均产生了气穴效应。     

高桩码头对邻近爆破的非线性动力响应分析

爆破施工会对周围已有的建筑物产生安全隐患, 因此, 预测爆破施工对周边建筑物的影响能有效降低风险, 消除安全隐患。在某港口周边进行爆破施工前, 为保证邻近高桩码头的安全, 先建立爆破位置与高桩码头整个区域的三维非线性有限元数值模型。在爆破荷载及高桩码头在役期间的最不利荷载作用下, 计算分析港口内部结构与土的非线性相互作用动力响应。根据港口结构所能承受的爆破冲击波通过土体传递给结构的动力响应, 并以高桩码头的安全振动速度为衡量标准, 得到爆破点距离码头最近位置时的最大单孔炸药量, 分析此时码头的位移变形、弯矩、剪力以及应变情况, 发现码头的位移受爆破荷载的影响较小, 但码头内部斜桩较直桩承受更大的应力、剪力, 因此在爆破施工时, 斜桩更容易受到破坏。     

深埋隧洞连续爆破开挖围岩应力演化规律

针对高地应力赋存环境下深埋隧洞连续爆破开挖过程,采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件模拟分析了围岩应力演化规律。通过对比分析准静态地应力重分布、地应力重分布与爆破荷载耦合作用2种工况,获得了高地应力赋存环境下深埋隧洞连续爆破开挖推进过程中的围岩应力演化规律及影响因素:深埋隧洞围岩主要表现为高地应力作用下的剪切破坏,隧洞连续爆破开挖卸荷过程中地应力重分布是洞壁远区围岩应力场改变的主要原因,炸药爆炸产生的爆破荷载只对炮孔附近的围岩应力产生影响,使炮孔附近围岩产生爆破张拉损坏。就本算例而言,连续爆破开挖卸荷只对掌子面后方约4 m范围内围岩产生影响,连续2个循环进尺后隧洞围岩应力场基本趋于稳定。     

基于PFC2D的预裂爆破裂纹扩展模拟

采用有限元软件AUTODYN模拟爆炸荷载与颗粒流软件PFC2D模拟裂纹扩展相结合的方法对预裂爆破的裂纹扩展问题进行了分析。结果表明:AUTODYN模拟爆炸荷载计算精度较高,可以作为后续PFC2D分析的动力荷载;PFC2D中采用添加阻尼应力的方法能够有效吸收入射的动态能量实现无反射边界条件;预裂爆破孔间距较小时,孔间能够形成较为平直的裂缝且爆破孔周围裂缝基本没有分岔现象;当爆破孔间距较大时,即使裂缝能够联通,爆破孔周围也将出现较为明显的随机分岔裂纹并且有一定的延伸;在能够保证预裂缝形成的前提下,裂缝切割壁面的不平整度有随着爆破孔间距增大而增大的趋势。     

爆破荷载下软土地基动力响应离心模型试验研究

爆破挤淤处理软基技术具有施工工期短、固结沉降快、地基后期沉降小等优点,已广泛应用于淤泥质海岸工程的地基处理,但目前研究远落后于工程实践。随着爆破离心模拟技术的发展,实现了离心场外对场内引爆装置的控制,为爆破荷载下软土地基动力响应特性的研究提供试验手段。开展3组离心场中不同炸药量的爆破挤淤模型试验,研究爆破的影响区域,建立爆破荷载作用下的挤淤效果与炸药量的关系。试验结果表明,药包炸药量与爆破影响区域密切相关,爆破影响区软土含水率降低、密度增大,且爆破瞬间冲击荷载引起土压力和孔隙水压力的突变。研究成果可为爆破挤淤工程的设计和施工提供试验依据。