爆炸荷载作用下岩体裂纹扩展特性研究

发布时间：2020-04-18 07:50

【摘要】：岩体爆破的本质是极大的冲击荷载瞬时作用于炮孔壁,从而引起岩体破坏损伤的过程,为解决工程中遇到的岩石破碎不完全、破碎块度大、岩体超欠挖、环境震动超限等问题,研究爆炸荷载作用下岩体裂纹扩展特性显得尤为重要。但是,由于爆破具有“高温、高压、高速”的特性,现有的技术手段难以动态监测该过程中岩体内部的破坏情况,加上岩体材料的复杂性使得理论分析更是成效甚微。考虑到上述因素,本文主要利用数值模拟探究爆生裂纹在不同工况下的扩展特性,主要研究内容及结论如下:(1)利用声学近似和弹性力学的方法,通过引入岩石动态断裂失效准则,推导了单孔爆破下完整岩体粉碎圈及裂隙圈的半径表达式,得出在不考虑爆生气体的“二次楔入”作用下,粉碎圈半径一般为炮孔半径的3-7倍,裂隙圈半径为炮孔半径的20-50倍。(2)进行了完整岩体和含裂隙岩体爆破数值模拟,验证了裂隙对于爆生裂纹扩展有较大影响,并重点探究了裂隙爆心距、角度、长度三个因素对爆生裂纹的作用效应。研究表明,裂隙抑制了垂直裂隙面的主裂纹扩展,促进了平行裂隙面的裂纹延伸;当裂隙位于炮孔正上方,且离炮孔较近时,裂隙与炮孔间的岩体会发生“层裂”现象,有利于提高岩石的破碎率;而裂隙两端翼裂纹的产生,则进一步增加了岩体破碎范围。(3)多孔爆破成缝是一个爆生裂纹动态扩展的结果。其主要经历“各炮孔粉碎圈形成→各炮孔裂纹独立扩展→孔间裂纹相向扩展→孔间裂纹相互贯通→分支裂纹延伸→止裂”6个阶段;当自由面与炮孔距离较近时,炮孔与自由面间的岩体产生层裂裂纹,增加爆破破岩面积;不同起爆顺序下,孔间裂纹扩展有一定差异,起爆延时越长,炮孔纵向裂纹扩展距离越远,从光爆面的成型效果而言,同时起爆破岩效果优于延时起爆。(4)空孔对裂纹具有导向作用,有效促进了爆破成缝过程,能够保证增大炮孔间距时孔间岩体顺利成缝,从而减小炸药单耗;耦合装药条件下,空孔孔径越大,导向作用越强,以3倍炮孔直径最优;水平切槽型圆形空孔导向作用最强,有利于保障光爆面或预裂面的成型。
【图文】：

Ｓａｎｇ邋Ｈｏ邋Ｃｈｏ等在进行岩体爆生裂纹模拟时，将爆炸载荷等效为指数型衰减逡逑公式，通过改变爆炸荷载升压时间ｔｏ，研究不同加载速率下岩体爆生裂纹的扩展［４］，，逡逑如图１．３所示。逡逑１．０邋逦逡逑。０．８逦｜＼逦逦ｅ／ａ＝１．５逡逑＆逦■逦＼逦——－３／ａ＝ｌ00逡逑３邋０－６逦、、、、、逡逑＿邋、、、、、逡逑。．４邋：邋、、、、、、、、、逡逑：：：（Ｖ＿逡逑０逦１０逦２０逦３０逦４０逦５０逡逑ｔ／ｔ0逡逑图１．３等效爆破荷载指数型函数曲线逡逑Ｆｉｇｕｒｅｌ．３邋Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ邋ｂｌａｓｔｉｎｇ邋ｌｏａｄ邋ｃｕｒｖｅ邋ｉｎ邋ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ邋ｆｕｎｃｔｉｏｎ逡逑Ｚ．Ａｌｉａｂａｄｉａｎ等［４］在研究预裂爆破成缝机理时，将爆炸荷载以指数型衰减公式逡逑加载至各预裂孔上，观察后期岩体周围裂纹的扩展及孔间裂纹贯通效果。逡逑（２）结合状态方程ＪＷＬ、ＢＷＫ、ＫＨＴ等进行炮孔压力模拟逡逑ＪＷＬ、ＢＷＫ、ＫＨＴ、ＶＬＷ等状态方程，主要是根据爆腔扩展过程中，爆炸产逡逑物比容随时间的变化，定义压力函数曲线，从而模拟岩体爆炸压力的加载，其中使逡逑用最广泛的是ＪＷＬ状态方程。逡逑朱哲明等［５］在ＡＵＴＯＤＹＮ－２Ｄ软件中，利用ＪＷＬ状态方程结合炸药材料本构逡逑３逡逑

５０逦１００逦１５０逦２００逦２５０逦３００逡逑ｔ／１０＇９ｓ逡逑图１．２等效爆破荷载反比例函数曲线逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ邋ｂｌａｓｔｉｎｇ邋ｌｏａｄ邋ｃｕｒｖｅ邋ｉｎ邋ｉｎｖｅｒｓｅ邋ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ邋ｆｕｎｃｔｉｏｎ逡逑张玉成等［３］基于爆炸载荷指数型衰减公式提出了三角形脉冲荷载简化计算方逡逑式，并对二种公式进行了算例验证，结果表明：等效方法在爆破近区与工程数据存逡逑在一定差异，但在爆破中远区吻合较好，可以用于工程振动研究。逡逑Ｓａｎｇ邋Ｈｏ邋Ｃｈｏ等在进行岩体爆生裂纹模拟时，将爆炸载荷等效为指数型衰减逡逑公式，通过改变爆炸荷载升压时间ｔｏ，研究不同加载速率下岩体爆生裂纹的扩展［４］，逡逑如图１．３所示。逡逑１．０邋逦逡逑。０．８逦｜＼逦逦ｅ／ａ＝１．５逡逑＆逦■逦＼逦——－３／ａ＝ｌ00逡逑３邋０－６逦、、、、、逡逑＿邋、、、、、逡逑。．４邋：邋、、、、、、、、、逡逑：：：（Ｖ＿逡逑０逦１０逦２０逦３０逦４０逦５０逡逑ｔ／ｔ0逡逑图１．３等效爆破荷载指数型函数曲线逡逑Ｆｉｇｕｒｅｌ．３邋Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ邋ｂｌａｓｔｉｎｇ邋ｌｏａｄ邋ｃｕｒｖｅ邋ｉｎ邋ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ邋ｆｕｎｃｔｉｏｎ逡逑Ｚ．Ａｌｉａｂａｄｉａｎ等［４］在研究预裂爆破成缝机理时，将爆炸荷载以指数型衰减公式逡逑加载至各预裂孔上，观察后期岩体周围裂纹的扩展及孔间裂纹贯通效果。逡逑（２）结合状态方程ＪＷＬ、ＢＷＫ、ＫＨＴ等进行炮孔压力模拟逡逑ＪＷＬ、ＢＷＫ、ＫＨＴ、ＶＬＷ等状态方程，主要是根据爆腔扩展过程中，爆炸产逡逑物比容随时间的变化
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU45

【参考文献】

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1 岳中文;郭洋;许鹏;王煦;宋耀;;定向断裂控制爆破的空孔效应实验分析[J];爆炸与冲击;2015年03期

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3 徐栋栋;郑宏;夏开文;杨永涛;;高阶扩展数值流形法在裂纹扩展中的应用[J];岩石力学与工程学报;2014年07期

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5 冯春;李世海;周东;张青波;;爆炸载荷作用下岩石损伤破裂过程的数值分析[J];岩土工程学报;2014年07期

6 明华军;徐小峰;梁波;;不同裂隙张开度下岩石材料破坏的颗粒离散元模拟[J];三峡大学学报(自然科学版);2013年06期

7 杨仁树;王雁冰;;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[J];岩石力学与工程学报;2013年07期

8 张社荣;孙博;王超;严磊;;双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析[J];岩石力学与工程学报;2013年S2期

9 秦入平;顾文彬;李裕春;陈亮;;深水岩石钻孔爆破连续与间隔装药爆破效果研究[J];工程爆破;2013年Z1期

10 庄晓莹;黄润秋;朱合华;;基于水平集坐标的二维压剪节理动态扩展过程无网格法模拟研究[J];岩石力学与工程学报;2012年11期

本文编号：2631889