白鹤滩水电站地下厂房爆破累积损伤效应研究

结合白鹤滩水电站地下主厂房围岩超声波测试结果,研究了地下工程隧洞围岩在循环爆破荷载作用下的累积损伤效应。结果表明:隧洞围岩在爆破开挖作用下的松弛范围为0.8~1.6 m,并且随着爆破次数的增加而范围有逐渐扩大的趋势;随着爆破次数的不断增加,岩体声波速度逐渐降低,损伤度D呈现出非线性累积规律;随着与爆源距离的增大,岩体爆破损伤程度受爆破循环荷载作用的影响减小,累积损伤效应相对不明显;对比发现侧壁和拱顶测孔的测试结果存在较大差异,说明爆破作用下岩体损伤具有各向异性的特征。在Hoek-Brown强度准则的基础上,提出了更适用于损伤岩体的考虑累积损伤效应的岩体力学参数计算公式,并运用现场测试数据验证了公式的工程适用性及合理性。     

循环爆破荷载作用下小净距隧道围岩累积损伤特性研究

明确多循环爆破推进情况下小净距隧道围岩损伤演化特征有助于施工安全和围岩稳定.依托福州地铁2号线某区段小净距隧道工程,基于LS-DYNA完全重启动技术,结合现场中夹岩声波测试结果,研究循环爆破荷载作用下该区段小净距隧道5个开挖进尺内围岩的累积损伤演化过程.结果表明:围岩损伤范围和损伤程度随爆破加载次数增加而增加,每一循环爆破荷载下各段别均对围岩有不同程度损伤,MS7和MS9段爆破荷载对围岩损伤最大;实测和模拟结果表明在多次爆破后中夹岩体损伤沿测孔深度方向呈圆角的斜"L"形状,近爆破处岩体损伤较大于远爆破侧;在同一监测断面内围岩的累积损伤尤以段间爆破加载损伤程度最大,随着隧道开挖推进岩体的损伤范围逐渐趋于稳定,监测断面9m范围外的爆破扰动基本不再对监测部位围岩造成损伤.研究成果可为现场围岩的加固提供参考,也可为类似工程的提供理论依据.     

硬岩地下洞室工程爆破振动与围岩损伤范围相关性研究

为了简便而准确地获取爆破荷载下硬岩地下洞室围岩损伤范围,以某待建重要地下洞室工程为研究背景,采用理论分析和数值模拟的方法,根据爆破设计方案,建立不同药量条件下多段延时爆破累积损伤计算模型,利用等效爆破荷载的方法和LS-DYNA完全重启动技术,得到多段延时爆破荷载作用下的爆破振动数据和围岩累积损伤范围。分析地下洞室围岩累积损伤效应,研究爆破振动与围岩累积损伤范围之间的相关性。研究结果表明：诱导地下洞室周边围岩损伤的荷载主要来自于二圈孔和周边孔爆破,其中洞室拱顶围岩损伤范围(2.21 m)明显大于拱腰围岩损伤范围(2.05 m);爆破全时程振动曲线的峰值处于掏槽孔延期时间范围内,与造成洞室周边围岩损伤的爆破段位不一致,应以对围岩损伤影响较大爆破段位的质点峰值振动速度研究与围岩损伤范围的相关性;建立了围岩累积损伤范围与爆破药量、爆心距和质点峰值振动速度之间的量化关系,得到了可通过任意爆心距处质点峰值振动速度推断围岩累积损伤范围的函数关系式,为控制围岩爆破损伤提供依据。     

大断面隧道台阶法爆破开挖围岩损伤特征研究

钻爆法开挖岩体同时，势必会对围岩造成一定程度的损伤，明确隧道爆破开挖围岩损伤特征，对隧道支护设计和长期稳定性有着重要的指导作用。以赣深高铁龙南隧道Ⅲ级围岩台阶法爆破开挖为例，采用跨孔声波法对隧道断面不同部位的围岩声波波速进行了测试，分析了爆破前后隧道围岩声波降低率分布特征，确定了隧道不同部位围岩的损伤深度，揭示了围岩损伤程度和损伤深度的关系。基于LS-DYNA数值模拟软件，模拟了相同工况下8个循环台阶爆破开挖作用下隧道围岩的损伤演化和分布特征，与通过声波测试率判断的围岩损伤分布特征基本一致。现场声波测试和数值模拟结果表明：台阶法隧道上台阶拱脚处围岩损伤程度最大，但损伤深度最小；隧道围岩损伤最深处位于仰拱底部。基于隧道围岩损伤分布特征，根据工程类比法和相关规范规定，确定龙南隧道Ⅲ级围岩的初期支护锚杆长度应为3.5～4 m。     

爆炸荷载作用下围岩累积损伤效应的数值分析

巷道爆破开挖推进过程中,循环爆破开挖的多次扰动作用使保留岩体产生累积损伤,导致岩体力学参数的弱化,从而造成工程岩体的宏观失效。利用ANSYS/LS-DYNA的重启动技术,通过损伤云图和损伤变量D的变化,对圆形巷道循环进尺过程中爆破作用下的岩体累积损伤效应进行研究。计算结果表明:随着掌子面推进爆破次数的增加,围岩的损伤程度加深,但影响深度变化较小;在装药量和爆心距不变的情况下,损伤量与爆破次数之间有很好的非线性关系,即爆破损伤的累积具有非线性特性。     

不同装药结构深孔爆破岩石累积损伤试验研究

提出了一种新的控制爆破技术——卸压隔振爆破技术.利用岩石声波探测技术对常规耦合装药爆破、光面爆破和卸压隔振爆破等3种不同装药结构的深孔台阶爆破进行现场试验.通过爆破前后声波测试探测炮孔损伤程度,研究不同的装药结构对爆破累积损伤效应的影响.试验证明卸压隔振爆破技术在特定的工程爆破环境下具有一定的优越性.     

基于声波检测的空气间隔装药预裂爆破损伤特性研究

采用空气间隔装药预裂爆破技术进行岩体开挖,在提高爆破有效能量利用率的同时,能够取得理想的爆破效果.结合河南省经山寺铁矿上覆岩层剥离进行的空气间隔预裂爆破现场试验,采用声波检测技术,以岩体声波速度降低10％为判据,分析了空气间隔装药预裂爆破对岩体的损伤特性.结果表明,炮孔装药段爆破对岩体的损伤较严重,并有明显的粉碎区,最大深度可达2 m左右,空气间隔段的岩体损伤相对较小.岩体的爆破损伤深度与地质条件以及装药结构密切相关.     

大直径中空孔直眼掏槽爆破的空孔应力集中效应研究

为了探明大直径中空孔直眼掏槽爆破的力学机理，采用理论分析和数值模拟方法研究了大直径中空孔直眼掏槽爆破的空孔应力集中效应。建立了空孔应力集中效应的力学模型，基于弹性力学和波动力学理论阐明了空孔应力集中效应的力学机理；开展了典型工况下大直径中空孔直眼掏槽爆破的数值模拟，并基于应力波传播、岩体损伤和岩体第一主应力峰值等结果分析了空孔的应力集中效应。研究结果表明：空孔应力集中效应主要源自孔洞应力集中效应和应力波叠加效应；大直径中空孔直眼掏槽爆破过程中，应力波在空孔壁处发生反射并与入射波产生叠加，叠加多位于空孔邻近区域以及掏槽孔间区域；岩体损伤程度较高的区域主要为掏槽孔周边、空孔周边以及相邻掏槽孔与空孔形成的三角区域，掏槽孔周边以外的损伤区域与应力波叠加区域基本对应；空孔附近存在显著的应力集中效应，且距空孔壁越近的位置应力集中效应越明显。研究成果拟为隧道工程大直径中空孔直眼掏槽爆破设计提供理论基础。     

多次爆破对大跨度硐室围岩的损伤累积及松动圈范围研究

为探究多次爆破作用下,损伤累积效应对大跨度硐室围岩松动圈的影响规律,结合某大跨度硐室爆破工程,采用声波法和钻孔窥视法对其爆破开挖过程中硐室围岩松动圈进行监测,利用现场试验结果分析大跨度硐室围岩损伤累积及松动圈变化规律。结果表明：随着爆破次数的增加,超声波波速不断减小;围岩损伤值增大,但增长速率不断降低,最后逐渐趋于稳定。多次爆破作用后,硐室围岩松动圈半径由原来的2.8 m逐步扩大为3.2 m,且硐室顶部的松动圈对比边墙处较大。因此,在大跨度硐室施工中应重点考虑硐室顶部的围岩稳定性,且在围岩支护和安全防护时应充分考虑多次爆破造成的围岩损伤累积效应对围岩松动圈半径变化的影响。     

起爆方式对台阶爆破根底影响的数值模拟分析

在台阶爆破中,根底率是评价爆破效果的一项重要指标。根据爆前、爆后岩体声波降低率,计算爆后保留岩体的损伤大小,确定临界破碎状态对应的损伤阈值。基于LS-DYNA的二次开发爆破损伤模拟技术,采用拉压损伤模型,对台阶爆破不同起爆点位置的爆破损伤效应进行数值模拟,并重点比较正向起爆和反向起爆条件下,相邻炮孔之间爆破根底的分布情况。模拟结果表明:起爆点位置能够影响能量和应力的分布状态,导致不同的爆破效果,正向起爆对孔底岩体有较好的破碎效果,能够有效地消除爆破根底,提高爆后台阶面的平整度。     

深部高地应力下岩石双孔爆破的损伤规律

为了研究岩石在深部高地应力下的爆破损伤演化规律,基于HJC损伤本构建立岩石双孔爆破模型,采用隐-显式序列算法,综合考虑炮孔间的相互作用、埋深以及侧应力系数因素的影响,设置不同工况条件开展数值计算。结果表明:无地应力条件下,在孔距50～130 cm变化的过程中,发现沿炮孔孔心连线方向的损伤半径逐渐增大,垂直孔心线方向损伤半径逐渐减小;有效破碎面积的变化呈现钟形曲线,存在最佳孔间距d=70 cm使孔间损伤裂纹贯通的同时,有效破碎面积达到最大。地应力工况条件下,在侧应力系数λ=1时,有效破碎面积减小,x和y方向损伤半径均减小,损伤裂纹的扩展受到抑制。而在λ≠1时,损伤裂纹更偏向于地应力较大的方向发育,另一方向的损伤扩展受到抑制。深度即地应力的大小对岩体爆破效果并无线性关系,深度越大,对应侧应力系数下地应力对爆破效果的作用越明显。     

累积效应下初支混凝土爆破损伤规律研究

为研究初支混凝土在循环爆破荷载作用下爆破损伤的累积效应,通过引入等效距离和等效药量的概念,代替爆心距和最大段药量对萨道夫斯基经验公式拟合得到质点峰值振速的衰减公式,根据爆破损伤经典公式,推导了爆破损伤增量公式。通过分析质点峰值振速和损伤增量随爆破次数和等效距离变化的关系,得到了初支混凝土在循环爆破荷载作用下的爆破累积损伤规律。研究结果表明:累积损伤随爆破次数增加而增大,但损伤增量却逐渐减小,两者变化皆呈现出非线性关系;临近爆源的几组测点在经过循环爆破后初支混凝土的累积损伤已达到损伤界限;损伤增量随等效距离变化的关系与质点峰值振速衰减规律具有相似性,且两者具有较高线性相关性。     

全断面与台阶法爆破作用下围岩的振动特征

基于现场试验和实测数据,通过量纲分析,建立了全断面爆破与台阶法爆破时岩体振动主频与单段最大药量及爆心距之间的函数关系,并进行了回归分析;通过声波试验,分析了在这两种爆破方式下,经过5次爆破作用后岩体的累积损伤规律。研究结果表明:岩体的振动主频随单段最大药量和爆心距的增加而减少,台阶法爆破比全断面爆破减少得更为迅速,而且相对于爆心距,单段最大药量对主振频率的影响更为显著;岩体在爆破作用下的损伤呈现非线性累积规律,前3次爆破对岩体损伤程度更深,且全断面爆破引起的岩体损伤较台阶法爆破更为严重。     

GD-3电站地下厂房岩台开挖爆破试验研究

地下厂房岩台开挖要求具有极高的控制精度和较小的破坏范围,因此开挖难度大,施工要求高。实际工程中多采取工程类比和在相似地段进行爆破试验的方法,但由于岩体赋存条件的差异及场地的限制,不便进行不同组合的爆破参数试验效果比较。结合GD-3工程实际,应用ANSYS/LS-DYNS软件,通过改变线装药密度及孔间距,进行了单孔及多孔条件下的岩台爆破模拟研究,获得了较优的岩台爆破参数,并据此进行了现场爆破试验,根据计算推荐的爆破参数进行施工,获得了较为理想的岩台成型质量,可为类似工程提供借鉴。     

煤矿硬岩巷道掘进大直径炮孔爆破试验研究

增大药卷直径可提高炸药爆速,配以较大直径炮孔爆破能够增强岩石的破裂和破碎。为了提高煤矿硬岩巷道掘进爆破效率,在液压凿岩台车施工巷道首次进行大直径炮孔和大直径药卷中深孔爆破试验研究,同时对各段雷管起爆延期时间进行优化,其中第2段雷管的延期时间由原先的25 ms增加至50 ms,目的是使掏槽爆破后岩石有足够的时间破碎、运动和抛掷出槽腔,形成新的自由面。并配用底部集能装药掏槽爆破技术和水垫层周边光爆装药结构,爆破试验取得了良好的效果。     

起爆方式对岩石柱状装药爆破作用的影响

为提高炸药的能量利用率,改善岩石爆破的破碎效果,以及在柱状装药条件下选择最佳的起爆方式,通过单炮孔混凝土爆破实验研究了不同起爆方式对岩石柱状装药爆破作用的影响。对不同起爆方式下岩石的裂纹扩展和破碎效果进行了分析,并利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立单炮孔岩石爆破损伤模型,对不同起爆方式下岩石损伤过程进行了数值模拟。其结果表明:不同起爆方式对岩石爆破破碎作用影响较大,反向起爆相对于正向起爆和炮孔中部起爆在岩石表面产生的裂纹条数更多,裂纹扩展速度更快,岩石破碎程度更好;数值模拟结果和实验结果具有较好的吻合性,对起爆技术的改进和起爆方式在工程应用上的选择具有一定的指导意义。     

水介质不耦合装药爆破岩石破坏范围的研究和应用

根据水中爆炸理论和爆炸应力波理论,探讨了水介质不耦合装药爆破孔壁初始冲击压力和岩石内的动态应力分布,并以强度理论求算出了炮孔周围岩石中粉碎圈和裂隙圈的范围。在某立井掘进爆破中依据炮孔周围裂隙圈半径理论计算的结果进行掏槽炮孔布置参数设计,从工程实践上进一步验证了炮孔水介质不耦合装药爆破时岩石破坏作用范围理论分析的正确性。     

深孔爆破空隙装药损伤演化过程的数值模拟

深孔爆破孔底空隙装药在有效地保护底板岩层免遭破坏，减少大块率，提高爆破效率等方面人有重要的意义。本文利用岩石爆破分形损伤模型及二维有限差分程序进行数值模拟，从岩石爆破损伤演化的角度对比了一般深孔爆破装药与空隙药的岩石破坏过程，发现空隙装药在损伤范围的发展趋势和自由面效应等方面具有明显特征，从而为解释这一装药结构的作用机理提出新的见解，也为这种爆破技术的实际应用提供了一个新的设计依据。     

爆破载荷下隧道围岩破坏裂隙范围研究

为确定爆破载荷作用下岩体的裂隙范围，应用摩尔-库伦强度准则确定岩石在冲击波作用下的粉碎区；在考虑粉碎区范围、应力波衰减指数改变和岩石三向受力状态的情况下,用Mises强度准则计算裂隙区范围；在不考虑爆生气体在应力波形成的裂隙区损失的前提下，用岩石的断裂韧性来计算爆生气体充满粉碎区后岩石裂隙的二次扩展范围。通过理论计算与现场声波实测值对比，理论计算值比实测值小8.45%。分析表明，该裂隙范围计算方法合理，并可以对类似工况的裂隙范围进行估算。