爆炸应力波在层状节理岩体中传播规律及数值模拟
本文关键词:爆炸应力波在层状节理岩体中传播规律及数值模拟,由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】:随着国民经济的快速发展,工程爆破的应用越来越广泛,在铁路、矿山、水库等大型工程中,爆破技术的作用显得更加重要,爆破引起了人们更多的关注。随着爆破环境的复杂、爆破规模的扩大,对爆破工艺技术和爆破安全监测技术的要求越来越高。岩体中炸药爆炸后,爆破冲击波很快衰减为爆炸应力波,由于天然岩体中存在着大量自然形成的节理、裂隙、层理和断层等构造,正是由于这些结构构造的存在严重影响了爆炸应力波的传播与衰减。因此,应力波在岩体中的传播与能量衰减规律的掌握对我们研究围岩结构动力稳定性具有都有重要意义。目前,对于完整岩体围岩的动力特性开展了大量的研究,而对于节理、裂隙发育的围岩结构力学特性研究较少。实际上,地质构造运动作用下,天然岩体因具有非均质、各向异性的特性,导致其力学性质、振动、渗透、能量传递等多种性能的改变,这也是目前很多学者备受关注的焦点。本论文以某矿山地质力学资料,基于相似理论原理,建立完整和节理地质力学模型,开展了爆破荷载作用下层状节理岩体中应力波的传播规律实验研究和复杂层状节理条件下爆炸应力波的传播规律的数值研究。本文的主要研究内容和结论如下:(1)基于Froude相似原理,设计并制作了完整岩体和节理岩体地质力学实验模型,开展了爆破振动测试实验。通过对两个地质力学模型实验爆破振动速度时程曲线分析,得到节理阻碍应力波的传播,且存在各向异性。对于垂直或小角度(测点与爆源连线垂直节理面)入射节理的爆炸应力波,在垂直方向(时程曲线中的z方向)和纵向(时程曲线中的y方向)上的衰减很明显并且幅度较大,在横向(时程曲线中的x方向)衰减不明显。对于斜入射节理的爆炸应力波,横向和垂直方向没有明显的衰减,纵向(时程曲线中的y方向)上的衰减很明显并且幅度较大。(2)通过采用不同爆破参数的爆破振动测试实验,发现爆炸应力波的传播与装药结构有着重要的关系。爆炸应力波的峰值速度取决于装药的密集程度,当各药包距离超过一定距离时,实际测量的速度时程为最近药包爆破产生的应力波,并非总药量产生的应力波的叠加。(3)采用动力有限元法建立了爆炸应力波在层状节理岩体中传播规律的数值模拟方法,并开展爆炸应力波在层状节理岩体中传播规律的数值模拟研究,得到数值模拟结果与实验研究结果基本吻合。(4)通过对不同间距节理岩体中爆炸应力波传播规律的数值模拟研究,得到爆炸应力波的衰减随节理间距增加而增加。由于在完整节理岩体中,相应测点的变化趋势与这一致,这是因为随节理间距的增大,不同间距模型两测点间的距离增大,同样会导致应力波的衰减。因此,本文提出一个新的概念比例距离衰减率来描述应力波随节理间距变化的规律,并得到随节理间距的增加,比例距离衰减率呈指数衰减的规律。(5)通过对不同倾角节理岩体中爆炸应力波传播规律的数值模拟研究,结果随节理倾角的增加,爆炸应力波峰值速度增加,透射系数逐渐增加,反射系数也逐渐增加,衰减系数逐渐降低。并建立了应力波衰减与节理岩体倾角变化的函数关系。
【关键词】:岩体力学 层状节理 爆炸应力波 峰值速度 数值模拟
【学位授予单位】:南华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB41
【目录】:
- 摘要4-6
- Abstract6-13
- 第一章 绪论13-23
- 1.1 研究背景和意义13-14
- 1.2 研究现状14-18
- 1.2.1 应力波在节理岩体中传播理论的发展与应用14-15
- 1.2.2 节理岩体中应力波传播研究现状15-18
- 1.3 问题的提出18-19
- 1.4 研究内容19
- 1.5 研究思路与创新点19-23
- 1.5.1 研究思路19-20
- 1.5.2 创新点20-23
- 第二章 模型实验设计与制作23-35
- 2.1 地质力学模型实验设计原理23-25
- 2.1.1 相似原理23-24
- 2.1.2 相似要求24-25
- 2.1.3 基本假设25
- 2.2 相似模型设计25-27
- 2.3 模型制作27-29
- 2.4 实验设计及测实29-33
- 2.4.1 实验测实仪器29
- 2.4.2 爆破参数设计29-31
- 2.4.3 测点布置31-33
- 2.4.4 爆破实验安全措施33
- 2.5 本章小结33-35
- 第三章 爆炸应力波传播规律实验研究35-51
- 3.1 爆炸应力波理论基础35-39
- 3.1.1 岩石中的爆炸应力波35-38
- 3.1.2 爆炸应力波分类38-39
- 3.2 层状岩体中应力波的传播理论39-41
- 3.3 实验结果分析41-49
- 3.4 本章小结49-51
- 第四章 爆炸应力波在水平层状节理岩体中传播规律数值模拟51-63
- 4.1 MIDAS/GTS程序简介算法原理51-53
- 4.1.1 动力有限元方法简介51
- 4.1.2 计算模型51-53
- 4.2 水平层状节理岩体三维求解模型及参数设置53-57
- 4.2.1 模型的建立53-54
- 4.2.2 参数设置54-57
- 4.3 模拟结果分析57-61
- 4.4 本章小结61-63
- 第五章 复杂节理洞室中爆炸应力波传播规律的数值模拟63-81
- 5.1 不同间距节理洞室数值模拟63-68
- 5.2 不同倾角节理洞室数值模拟68-80
- 5.2.1 模型建立及数据处理68-78
- 5.2.2 模拟结果分析78-80
- 5.3 本章小结80-81
- 第六章 结论与展望81-83
- 6.1 结论81-82
- 6.2 展望82-83
- 参考文献83-89
- 攻读硕士学位期间发表的科研成果89-91
- 一、攻读硕士学位期间发表的主要学术论文89
- 二、参与科研项目89-91
- 致谢91
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,本文编号:401938
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