切槽孔爆炸载荷下裂纹扩展行为的实验研究

为了研究切槽孔爆炸载荷下扩展裂纹和空孔相互作用规律,采用动态焦散线实验系统,分别对单炮孔和双炮孔爆炸载荷下含圆孔缺陷的PMMA材料的爆生裂纹扩展行为进行研究。研究结果表明:(1)单炮孔爆炸载荷下,切槽孔爆生主裂纹扩展轨迹平直,直接与空孔相互贯通,空孔导向效应明显。爆生主裂纹表现为I型模式。(2)双炮孔同时爆破过程中,切槽孔爆生主裂纹由于受空孔和相对扩展裂纹的影响,扩展轨迹较弯曲,空孔处产生的2条翼裂纹分别与爆生主裂纹贯通。(3)P波前缘压应力波与爆生主裂纹相互作用时,爆生主裂纹扩展速度和动态应力强度因子呈现减小变化的趋势。实验研究结果对于岩体定向断裂控制爆破工程实践具有一定的借鉴意义。     

起爆时差对孔间裂纹扩展影响的动焦散实验研究

为了研究起爆时差对孔间裂纹扩展的影响,采用动态焦散线实验的方法,研究含缺陷介质相邻切槽炮孔被采用同时起爆和微差起爆时孔间爆生裂纹的扩展和贯通机制。研究结果表明:(1)在定向断裂控制爆破过程中,其他参数相同时,同时起爆的爆生裂纹成壁质量比微差起爆的质量好。因此,在岩体的定向开挖工程中,可采用同时起爆的方法来提高定向断裂控制爆破的效果。(2)爆炸应力波中的P波前缘压缩波与爆生运动裂纹相互作用降低了爆生运动裂纹的扩展速度和爆生裂纹尖端应力强度因子的值。实验研究结果对于定向断裂控制爆破工程实践具有一定的借鉴意义和参考价值。     

不同药量的切缝药包双孔爆破裂纹扩展规律试验

 采用数字激光动态焦散线系统,研究有机玻璃板中不同药量的切缝药包双孔爆破主裂纹及分支裂纹的扩展规律。结果表明,切缝药包爆破主裂纹以I型拉伸断裂模式为主,爆破主裂纹难以穿过邻近炮孔的预制裂缝继续扩展;分支裂纹是预制裂缝尖端在爆破应力波衍射拉伸形成应力集中而萌生、起裂,相向分支裂纹分别扩展,最终呈“牵手状”贯通、止裂,分支裂纹贯通后扩展速度及动态应力强度因子急剧降低。对比不同药量模型试验结果发现,小药量炮孔相比大药量炮孔的爆破主裂纹、分支裂纹扩展速度及动态应力强度因子均较小,分支裂纹起裂时间较迟,且稳定扩展时间、扩展长度也较短,延长了分支裂纹贯通时间。相同药量两炮孔爆破主裂纹及分支裂纹断裂力学特征量近似相等,单炮孔的分支裂纹不贯通。试验研究为分析爆破裂纹扩展物理过程提供了参考。     

高应力状态下穿过层理爆破致裂的动态行为研究

为了研究高应力状态下炮孔穿过层理爆破的裂纹起裂、扩展等动态力学行为,结合动态焦散线方法,采用数字激光动态焦散线实验系统,开展实验室模型实验。结果表明:炮孔穿过层理爆破时,爆生气体能量难以得到有效利用,炮孔周边岩石的破碎效果不甚理想。爆炸应力波对层理端部裂纹的起裂和扩展前期的动力学行为起主导作用,静态应力则对裂纹扩展后期的行为特征产生主要影响。层理走向与静态应力方向之间的夹角对试件的破坏形态和爆生主裂纹的动态应力强度因子、扩展速度等具有明显影响。此外,随着该夹角的增加,爆生主裂纹的扩展时间和沿层理位移均减小,最大偏转角度增大,扩展路径更加曲折。     

炮孔间距对切缝药包爆生裂纹扩展规律的影响

为研究炮孔间距对切缝药包爆生裂纹扩展的影响,采用爆破加载数字激光动态焦散线实验系统和数值模拟相结合的方法,对比分析孔间爆生裂纹在不同炮孔间距下的扩展规律。结果表明:随着炮孔间距的增加,孔间爆生主裂纹不再表现为直接贯穿,而是发生偏转呈现"牵手状"分布;爆生主裂纹在扩展过程产生明显波动,且在裂纹相遇区该波动行为更为显著;爆生主裂纹扩展速度、动态应力强度因子的峰值以及裂纹相遇区的应力峰值均取决于炮孔间距,炮孔间距较小时,峰值较大,有利于裂纹的定向扩展。     

切缝药包不耦合装药爆破爆生裂纹动态断裂效应的试验研究

 利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,对不同装药结构爆破爆生裂纹动态断裂效应进行分析,研究切缝药包的定向断裂控制爆破机制,比较爆生主裂纹和次裂纹动态能量释放率的差异。结果表明：不耦合系数?1= 1.67时,切缝药包爆破效果最理想;爆生主裂纹的扩展速度、动态应力强度因子随时间总体呈振荡下降的趋势,在扩展过程的中后期达到一个较小的峰值;橡皮泥介质作为炸药爆炸产物与炮孔壁间的缓冲层,传能效果良好;次裂纹尖端的动态能量释放率数值整体上小于2条主裂纹。     

柱状炮孔端部爆生裂纹动态扩展力学行为研究

采用动态焦散线实验和ABAQUS数值分析方法,研究单柱状炮孔、同时起爆的不同间距双柱状炮孔端部爆生裂纹动态断裂行为及周围应力场分布,明确炮孔端部裂纹的扩展规律。结果表明:较之单孔爆炸,双孔爆炸产生的应力场在炮孔间叠加,使炮孔间更易形成径向裂纹,增大炮孔间的破碎程度,单孔端部裂纹的扩展速度及应力强度因子介于双孔内侧与外侧端部爆生裂纹之间;双柱状炮孔端部近端垂线方向上,炮孔间以压应力为主,对相邻炮孔爆生裂纹的相向扩展具有抑制作用,随炮孔间距减小,裂纹止裂越早、扩展长度越短;双柱状炮孔端部外侧远区,在t=0～90μs,孔间和孔外在爆炸应力波叠加作用下表现为拉压交替变化的特征,随后主要表现为拉应力,炮孔外侧端部爆生裂纹曲裂程度大,具有短暂的"止裂"到再起裂阶段,随炮孔间距减小,曲裂发生时间越早,"止裂"到再起裂时间提前,裂纹长度无显著变化,但均大于单孔端部爆生裂纹长度。     

聚能药卷的爆炸裂纹定向扩展过程试验研究

应用透射动焦散线试验研究爆炸裂纹定向断裂超动态破坏力学特征。试验结果表明,爆炸主裂纹断口特征为典型的拉伸断裂,爆炸裂纹尖端的动态应力强度因子、裂纹扩展速度、扩展长度的变化趋势几乎相同,爆炸主裂纹主要在60～200μs完成,极限动态应力强度因子很少超过1.5MN/m3/2,爆炸裂纹止裂韧性约为0.3MN/m3/2。聚能药卷具有明显的爆轰波卸载效应和聚能方向爆生气体射流效应,高压爆生气体射流的"气楔效应"是聚能方向压缩径向裂纹进一步扩展的主要驱动力,同时抑制了非聚能方向压缩径向裂纹的发展。双孔点射流聚能药卷、双缝线射流聚能药卷都能实现岩石定向断裂爆破,形成良好的爆破断裂面,多缝线射流聚能药卷适用于高瓦斯煤层增透防突的深孔预裂爆破。     

初始静态压应力场中爆生裂纹的扩展行为

深部岩体爆破致裂是初始静态应力场和爆炸动态载荷双重叠加作用结果,爆生裂纹的扩展路径、行为特征等受初始静态应力场的影响。采用数字激光焦散线试验系统,进行了静态竖向载荷分别为0,2,4 MPa 3种不同初始压应力作用下的倾斜爆生裂纹扩展规律试验,对比分析了裂纹的运动学和力学行为。试验结果表明:随着初始压应力p的增大,爆生主裂纹的扩展方向逐渐向主应力方向偏转,且爆生主裂纹的扩展总时间逐渐减小,试件的Ⅱ型破坏愈加显著;随着初始压应力p的增大,爆生主裂纹的最大偏转角度也明显随之增大,初始压应力p是爆生主裂纹产生垂直预制裂纹方向速度的动因。研究结果揭示了爆生裂纹扩展行为与初始静态应力场的关系,丰富了深部岩体爆破破坏理论。     

含缺陷PMMA介质的定向断裂控制爆破试验研究

 以PMMA为试验材料,采用新型数字激光动态焦散线方法试验系统,从试验角度将裂纹缺陷和空孔缺陷纳入同一研究体系,进一步研究缺陷对定向断裂控制爆破裂纹扩展的影响。结果表明,缺陷形态对爆生主裂纹扩展长度的影响并不明显。爆生主裂纹的扩展分为2个阶段,I阶段(0～120 μs)：爆生主裂纹的扩展速度和尖端动态应力强度因子均迅速减小;II阶段(120 μs～止裂)：从缺陷处反射的应力波对裂纹尖端的作用效应逐渐明显,加强了裂纹尖端的能量积聚和应力集中,使得速度和动态应力强度因子均有较大程度的跃升;随着试件缺陷两侧曲率的增加,II阶段的爆生主裂纹速度峰值和动态应力强度因子峰值均逐渐减小。     

煤层深孔聚能爆破控制孔作用机制研究

为研究聚能爆破载荷下控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响,通过理论分析与数值模拟,探讨控制孔对爆炸应力波传播特性、爆生主裂隙扩展规律、煤体单元的应力状态及其位移特征的影响。结果表明,聚能爆破过程中压缩应力波在控制孔处的反射迭加作用显著改变了孔壁周围和爆生主裂隙尖端的应力场,主导了爆生主裂隙的定向扩展和孔壁周围环向裂隙的形成;控制孔提供的位移补偿空间及孔壁的曲面特性增强了孔壁及周围煤质点的切向拉伸应力,促进了孔壁周围径向裂隙的发育与扩展;控制孔促使爆生主裂隙定向扩展与控制孔孔壁周围的径向裂隙和环向裂隙相互交织成一个庞大裂隙网。同时,开展煤层深孔聚能爆破现场试验,研究了有、无控制孔对煤层增透效果的影响,试验结果表明,控制孔能够大幅度提高煤层聚能爆破增透效果,前、后期试验有控制孔一侧钻孔内平均瓦斯体积分数增幅分别是无控制孔一侧钻孔内平均瓦斯体积分数增幅的1.78和2.48倍。     

爆炸应力波与爆生气体对被爆介质作用效应研究

以有机玻璃(PMMA)为试验材料,采用实验室模型试验的方法,结合LS-DYNA进行爆破数值模拟分析,研究了爆炸应力波与爆生气体对被爆介质的作用效应。结果表明,爆炸应力波的作用是粉碎区微裂纹形成的主要原因,爆生气体的作用是裂隙区裂纹形成的主要动力。爆炸作用下,弹性震动区介质的受力特征为先受压后受拉。此外,爆生气体的作用显著增加了爆破弹性震动区介质的应力、应变峰值和受力时间,说明爆生气体不仅具有准静态作用,还具有动态作用。同时指出,岩石爆破理论需要进一步修正和完善,严格考虑爆炸应力波和爆生气体实际作用过程的数值模拟算法亟待发展。     

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。     

装药不耦合系数对爆破裂纹控制的试验研究

在控制爆破中，为使炮孔周围产生的较密集的径向裂纹减少，使需要扩展的裂纹得到充分扩展，主要措施就是降低爆炸应力波作用，增加爆生气体的作用时间，即采取不耦合装药，本文从理论上分析装药不耦合系数Kd与爆破作用的关系，并在实验室和现场进行了部分试验，得出了不耦合系数为1．67时的爆破裂纹长度最长的结论。同时，随着不耦合系数的增加，裂纹数目也不断减少。     

不同装药模式爆破载荷作用下煤层裂隙扩展特征试验研究

 为了研究炸药在不同煤岩介质中爆破所产生的裂隙扩展和力学特征,提高深孔预裂爆破对低透气性煤层进行增透的效果,在实验室搭建爆破模拟试验系统,设计穿层钻孔和顺层钻孔2种不同的装药模式,以Froude 比例法建立煤层深孔预裂爆破的试验模型,利用相似材料配比加工制备尺寸为50 cm×50 cm×50 cm的试样进行爆破模拟试验。通过超动态应变仪监测煤岩层的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析爆破载荷作用下试样的动态力学特性和裂纹扩展特性。研究发现,裂纹主要是由压缩波与卸载波共同作用形成的,裂纹扩展方向与炮孔轴线方向垂直;在煤岩介质中实施穿层钻孔爆破的爆破效果优于顺层钻孔煤层爆破效果,当爆破应力波从煤层入射到岩层后,出现反射拉伸波,反作用于煤体上,加剧煤岩不同爆破介质的破坏程度,促使爆破裂隙的扩展。研究成果可用于指导井下低透气性煤层深孔预裂爆破装药方式的选择,以提高瓦斯抽采效率。     

切槽炮孔偏心装药爆源近区裂纹动态力学特征实验研究

为研究切槽炮孔偏心不耦合装药爆源近区裂纹动态力学特征,采用数字激光动态焦散线实验系统,对比分析3种切槽形状(三角形、圆形和矩形)对爆源近区裂纹扩展速度v和动态应力强度因子K_Ι~d和K_(ΙΙ)~d,以及能量释放率G的影响规律。实验结果表明:偏心爆炸荷载下,3种切槽尖端均产生非对称性裂纹,主、次裂纹分别位于装药耦合、不耦合侧;切槽形状对裂纹起裂影响较大,对裂纹扩展影响较小;起裂阶段,各主裂纹相比,三角形尖端主裂纹K_Ι~d,v,G最大,K_(ΙΙ)~d最小,有利于张开型裂纹起裂,而矩形尖端主裂纹K_Ι~d,v,G最小,K_(ΙΙ)~d最大,有利于压剪型裂纹起裂;扩展阶段,各主裂纹主要为张开型,K_(ΙΙ)~d趋于0,K_Ι~d,v,G整体变化一致。各次裂纹相比,矩形尖端次裂纹K_Ι~d,K_(ΙΙ)~d,v,G均最大,消耗较多爆炸能量,不利于主裂纹起裂和扩展。实验结果对于工程实践具有理论参考意义。     

中深孔双螺旋掏槽爆破的破碎机理与设计应用

分析研究了中深孔双螺旋掏槽形式在爆炸冲击波或应力波的作用下，掏槽炮孔爆源附近岩体破碎、破裂的过程及空孔在掏槽爆破中的作用效果。在此基础上提出了中深孔掏槽爆破设计的理论依据，具体给出双螺旋掏槽爆破的设计参数。这种掏槽在三峡工程茅坪溪泄水洞大断面开挖掘进中得到应用     

节理介质断裂控制爆破裂纹扩展的动焦散 试验研究

为研究闭合和张开节理对切缝药包断裂控制爆破裂纹扩展规律的影响和裂纹扩展机制,采用有机玻璃模型,用切缝药包形成初始裂纹,进行爆炸加载下透射式动焦散试验.试验结果表明:2种节理对裂纹扩展影响都很大,初始裂纹都没穿过节理,但在节理两端产生翼裂纹,翼裂纹基本沿原爆生裂纹方向继续扩展;在张开型节理试验中,切缝药包爆炸后25 μs时节理两端出现焦散斑,2条翼裂纹最长只有2.5 cm;闭合型节理则在1 μs时产生焦散斑,比张开型产生的时间早了24 μs,翼裂纹最长达5.6 cm.2种试验中翼裂纹尖端复合动态应力强度因子呈由小变大再变小振荡变化的趋势,初始阶段动态应力强度因子低于,闭合型应力强度因子峰值为1.72 MN/m3/2,大于张开型峰值1.28 MN/m3/2.研究结果可为节理岩体定向断裂控制爆破提供理论依据.     

高地应力硐室光面爆破孔间应力相互作用与成缝机制

针对高地应力条件硐室光面爆破，首先采用柱腔激发模型计算光爆孔孔间爆炸应力场，并分析地应力与孔间爆炸应力场的叠加规律；然后，采用验证过的RHT数值模型，模拟单孔、双孔、三孔及地应力条件下爆炸环向拉应力场，并研究径向不耦合系数、孔间距和地应力对光面爆破孔间成缝的影响；最后，给出考虑地应力影响的光面爆破参数选择建议，并成功应用于锦屏二级水电站引水隧洞爆破开挖。研究结果表明：爆炸应力波相互叠加导致光爆孔连线中点附近的爆炸环向拉应力峰值增大，呈现峰状凸起特征，而地应力重分布产生的径向压应力与光爆孔孔间爆炸环向拉应力作用方向相反，会抑制光面爆破孔间成缝和贯穿；受地应力影响，爆生裂缝扩展体现出明显的方向性，更倾向于沿最大主应力方向扩展。因此，对于一般光面爆破设计(孔径42 mm、药径32 mm、光爆层厚度0.6 m)，地应力由20 MPa增大至40 MPa时，光爆孔孔间距应由0.75 m减小至0.60 m，炮孔宜沿最大主应力方向布置，以确保孔间成缝和硐室开挖成型。     

基础工程中“预裂爆破”应用简介

预裂爆破是一种控制爆破法,这种爆破法是沿预裂面(即设计轮廓线)钻一排较为密集的炮孔,在这些炮孔或部分炮孔内进行少量装药,并均匀分配药量,在主爆破未爆前先行起爆,便沿预裂面产生一条相当于炮孔深度的裂缝,而后再进行中心部分的主爆破。预裂爆破的原理是:当两个炮孔同时起爆时,应力波在炮孔之间相互作用,使炮孔间的岩石承受拉应力而造成破裂,于是在炮孔间形成断裂区。如果炮孔间距和装药量合