爆破模型垂直振幅动态测量的实验研究

设计了一种新的全息干涉光路,在一次爆破加载中获得不同时刻的动态离面位移场(即质点垂直振幅)条纹图,并以此研究了条形药包爆破时不同剖面的位移变化规律,研究表明:条形药包中垂线上的离面位移极值均为P波引起,并在爆破后的任意时刻至少大于全场其他剖面位移极值的3倍以上;其余方向的位移极值由瑞利波产生,药包轴线方向位移显示出明显的端部效应;因此,该方法对爆破模型位移场研究具有重要的意义。     

循环荷载下红层泥岩的动力特性及路用性能研究

 为验证达成(达州--成都)线红层泥岩能否满足高速铁路路基填料的要求,对其进行室内动三轴试验和红层泥岩路基的现场循环加载试验。由动三轴试验研究红层泥岩在循环荷载下的动强度和变形特性,引入动应力水平的概念,得到达成线红层泥岩的临界动应力水平约为30%;通过分析动剪应力比SRd与土体累积变形之间的关系,提出一个红层泥岩循环累积变形的计算模型,并明确模型参数的物理意义及确定方法。现场循环加载试验表明,用红层泥岩填筑路基基床底层,路基的沉降量和沉降速率均能满足高速铁路的要求;应用所提出的预测模型来计算红层泥岩路基层的累积变形,其达到稳定时的计算值和实测值很接近,但由于现场和室内试验条件的不同及加载频率的影响,在变形稳定以前,模型计算值和实测结果之间存在一定的差异。     

基于三次样条插值法的光弹性巴西劈裂试验

巴西劈裂试验过程中,应力场的变化规律难以准确分析。光弹性实验可以直观地反映出应力场的实时变化规律。通过光弹实验模拟巴西劈裂试验的过程,依据等差线图像可分析出应力的变化规律。采用三次样条插值法来获取等差值与等倾度的全场数据,结合剪应力差法实现全场应力的自动化计算。同时,采用PFC3D对试验过程进行模拟,计算出岩石的抗拉强度为0.87 MPa,通过最大载荷公式验证其准确性。对比350 N压力下的光弹计算结果与数值模拟计算结果,两者的误差不超过3%。     

冲击岩爆试验系统研发及试验

依据岩爆发生时的力学状态,岩爆可以分为应变岩爆和冲击岩爆两大类型。冲击岩爆是深部岩体受静荷载和冲击动荷载共同作用所致,其试验系统的研发是岩石力学界的难题之一。设计并研发冲击岩爆试验系统,并进行冲击岩爆试验。该试验系统设计16种简谐波,通过其组合叠加,可以实现对开挖爆破、顶板垮落、断层滑动等冲击扰动波的模拟。试验采用加载至三向不同应力状态下的带圆形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σ1方向施加扰动波,σ2,σ3保持在恒定应力水平的加载方式,通过伺服控制系统,实时采集砂岩试样冲击岩爆过程中的力和位移数据,获得全过程三向应力–应变曲线。通过图像采集系统,实时拍摄砂岩冲击岩爆全过程,获得该类型岩爆过程剥离、弹射等特征现象。并进行类似的静力加载破坏试验,观察其破坏现象与冲击岩爆过程的差异。通过对巷道单元岩体动应力和能量的分析,建立冲击岩爆的动应力和能量判别方法。     

高速铁路隧道基底软岩动力累积损伤特性

利用相似材料模拟高速铁路隧道基底软岩,采用荷载控制和非对称正弦波循环加载方式对软岩试件进行动三轴疲劳与损伤检测综合试验。通过试验结果分析,建立了软岩3参数多项式疲劳寿命计算模型和4参数多项式累积损伤参量计算模型,获得了软岩疲劳损伤特性,即:软岩疲劳破坏表现为端部拉-剪复合破坏和中部压-剪复合破坏两种模式;疲劳破坏全过程表现为初始微孔隙压密、裂纹发生与稳定扩展以及损伤裂纹加速发展3个发展阶段;软岩疲劳寿命主要取决于本身强度和动应力水平,强度愈高、动力应力水平愈低,其疲劳寿命就越长;当动应力水平相同时,软岩疲劳寿命与其弹性模量呈线性增长关系。     

定向卸压隔振爆破对岩石的损伤破坏效应及其工程应用

为降低常规爆破对保留岩体的破坏损伤,提出了定向卸压隔振爆破方法,并介绍了其技术原理。霍普金森杆、超动态、动焦散、动光弹和一级轻气炮等试验结果表明:采用定向卸压隔振爆破隔振材料一侧爆炸初始压力降低了30%~60%,爆破振动峰值下降了32%~67%;作用于隔振材料一侧爆轰波能量被阻隔46.95%,隔振材料一侧保留岩石的声速降低13.48%;临空面一侧的主剪应力是隔振材料一侧的3.5倍,应力强度因子是隔振材料一侧的1~2.12倍。实践表明,临空面方向汇集了大量能量,获得了好的爆破效果,同时可以减少露天边坡的开挖费用和平巷掘进超欠挖量。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

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。     

冲击荷载作用下圆环的动态响应

本文用动光弹性方法研究冲击载荷下不同支承条件的圆环的动态响应；开口圆环模型内部应力波的传播、动应力分布；在圆环开口处镶嵌不同材料介质后，动应力分布状况的变化。文中还对内边界受冲击力作用的镶嵌圆环进行了实验研究。     

辽西冻风积土动力测试与动损伤机理研究

风积土颗粒间包含的孔隙自由水在冬季负温作用下会发生冻结现象。为研究冻风积土在行车等动荷载作用下产生的动力损伤机理及其特征,利用GDS冻土三轴测试系统对不同条件下的冻风积土试样进行三轴加载,获得了不同条件下的动应力–应变曲线,并利用有效应力分析法对损伤有效应力及累积塑性变形进行确定。将Helmholtz自由能作为塑性势函数建立了损伤演变率与损伤释放率之间的数学关系,并依照塑性势函数和累积塑性变形率间的线性假设建立损伤演化模型。利用本文所提出的有效应力分析法对建立的P模型参数进行拟合,结果表明P模型计算结果与相关文献动损伤模型计算结果比较吻合。对比由循环加载造成的疲劳损伤与塑性区发展造成的塑性损伤发展过程,得到了冻风积土初期动损伤以塑性损伤为主,后期以疲劳损伤为主的结论,并且确定各条件下塑性损伤的阈值,为冻风积土路基的动力灾害防治提供理论依据。     

爆炸荷载作用下动态裂纹扩展试验研究

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了爆炸裂纹的扩展规律。用有机玻璃试样直观、形象地研究了爆炸加载和卸载过程破裂时的应力(应变)场、成核区(阴影区)的动态特征变化,分析了爆炸裂纹发展、止裂及破坏模式、动态应力强度因子的变化规律,精确得到了材料在爆炸荷载作用下的止裂韧性值。确认了早期爆炸裂纹是在爆轰压力作用下产生快速扩展裂纹,裂纹尖端形成应力集中和积聚较大的应变能,爆炸裂纹中后期的焦散形式与一般动态焦散接近相同。初步提出了爆炸裂纹的大部分扩展是应变能释放的动态卸载破坏的结论。     

坚硬岩石一次爆破成井掏槽方式的数值模拟研究

对坚硬岩石条件下深孔一次爆破成井的九孔、双孔菱形、单螺旋和双螺旋4种掏槽方式,在炸药爆炸荷载作用下的应力产生和传播机理进行了计算机数值模拟。模拟采用LS-DYNA三维非线性动力有限元程序,结果得到了4种掏槽方式的节点最大应力产生的时间、空孔周边应力产生的时间、有效应力作用的时间、节点最大运动速度以及掏槽孔应力全部贯穿的时间等相关参数的定量计算值。通过对计算结果的综合优化研究,选择了单螺旋掏槽方式优化模型。该研究成果,已在现场应用中得到了验证。试验结果表明,该方法解决了制约一次爆破成井相关爆破参量难以确定和爆破效果难以预料等技术上的瓶颈问题,并为其在地下建筑工程领域中推广应用提供了科学合理的理论指导依据,具有广阔的推广应用前景。     

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。     

起爆方式对条形药包爆炸应力场的影响分析

爆炸应力场分析是条形药包爆破作用机理研究的一个基本问题。爆轰波沿装药轴线方向的传播是影响条形药包爆炸应力场特征的重要因素。综合采用Starfield 迭加法与动力有限元法,建立条形药包爆炸应力场数值分析模型。该模型利用Starfield 迭加原理实现爆轰波沿装药轴线的传播,并采用动力有限元方法分析条形药包爆炸在介质中激发的应力场。结果表明:起爆点数量与起爆点位置对条形药包爆炸应力场有重要影响;在实际工程中,合理安排起爆点的数量及位置、缩小条形药包完成爆轰的时间有利于改善爆破效果。     

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。     

爆破作用对层状顶板接触层面累积破坏效应分析

露天井下联合开采矿山地面的爆破开采作业产生的爆炸应力波对浅埋采空区顶板及其围岩形成动力加载环境,从而造成采空区层状顶板接触面层的离层错位破坏,当这种破坏累积到一定时刻将可能诱发采空区失稳。利用FLAC3D构建采空区三维数值计算模型,采用其内置Interface命令模拟层状顶板的接触面层。在采空区顶板顶部输入安太堡露天矿实测的爆破波速度时程模拟爆破震动对采空区层状顶板的动力加载。通过分析设置监测点的位移曲线、接触面层的剪切应力场、法向应力场及贯入量值场的变化规律,揭示了随着爆破次数的增加及顶板厚度减小工况下,爆破作用对层状顶板接触面层的离层错位累计破坏效应,为类似采空区层状顶板的稳定性评价、失稳可能性的风险评估及露天爆破开采作业提供一定的技术参考。     

隧道爆破振动下既有建筑结构动力响应及#br# 损伤研究综述

针对隧道爆破振动引起建筑结构的损伤问题,首先阐述隧道爆破振动峰值振速和频率的衰减规律;然后总结隧道爆破下采用反应谱法、时程分析法、损伤指数量化法和现场试验测试法得出的结构振动反应特征,阐述隧道爆破下建筑结构的损伤机理和易损构件,并探究了基于高阶局部模态的爆破振动下结构振动的损伤机理;阐述振动安全标准及改进方法;最后指出今后的研究重点：①建立同时考虑结构承重构件和非承重构件的三维全结构模型,探究爆破振动下非承重构件的振动反应及损伤情况;②基于结构动力学和高阶模态理论,通过分析爆破振动主频与结构高阶模态频率之间的关系,探索建筑结构在隧道爆破下的高阶模态振动效应及损伤特征;③需要综合考虑结构峰值振速—峰值应力的耦合响应特征来探究建筑结构在隧道爆破振动下的损伤机理,辨识易损构件,改进和完善爆破振动安全标准;④结合大数据、信息化和结构健康监测技术,实现动态化、定量化和精细化评价爆破振动下建筑物安全和结构损伤。     

隧道爆破施工合理毫秒延期时间的数值研究

毫秒延期爆破作为降低爆破震动效应的主要措施,已广泛应用于实际工程。但毫秒延期间隔时间多以经验或现场爆破试验给出,数值模拟方面所做研究较少。基于ANSYS/LS-DANY有限元软件的动力分析功能,建立了隧道三维爆破模型。简要分析了最大段药量对爆破震动效应的控制作用,在此基础上首次定量研究了不同的毫秒延期时间对隧道衬砌动力响应的影响;并结合质点震动速度安全判据,给出了合理的毫秒延期爆破时间。本文定量研究毫秒延期爆破间隔时间的方法及所采用的模型,可结合不同隧道的具体爆破条件修正后推广应用。     

A numerical study of the effects of accurate timing on rock fragmentation

Some effects of accurate delay time on rock fragmentation have been examined numerically using a newly developed continuum damage model. Stress wave collision created by simultaneously initiating a continuous explosive column from opposite ends is simulated in both an axisymmetric environment and in bench blasting. It is shown that such a collision results in poor distribution of the explosive energy in the rock burden to be fractured and does not benefit rock fragmentation. When two small charges in adjacent boreholes are fired simultaneously, the stress waves generated by each borehole superimpose resulting in a larger volume of fragments. This volume of fragments obtained is affected by the scatter of the firing times of the detonators. It is pointed out that the increase in the volume of fragments by stress wave superposition is always accompanied by less satisfactory fragmentation. The simulation results of a small scale bench shot with three boreholes tend to agree with the documented actual blasting results within the time range studied. The implications of the numerical findings to practical applications are discussed. It is concluded that for rock blasting purposes, delay detonators having microsecond accuracy do not seem to benefit, instead, millisecond accuracy that does not depend on the length of the delay used is sufficient to achieve optimized rock fragmentation. The study modelled two rock-explosive combinations, granite-emulsion and dolomite-dynamite.