高地应力隧道卸压爆破数值模拟

发布时间：2017-03-23 03:16

  本文关键词：高地应力隧道卸压爆破数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着交通建设的快速发展,大量大埋深、长度长的交通隧道需要建设,而这类隧道的高地应力易引起围岩失稳等地下工程问题。在大规模的开挖作用下,深埋隧道中的高地应力在围岩中发生强卸荷作用引发岩爆等灾害,造成人员伤亡、工期延误等损失。本文利用前人的研究所得,从卸压爆破技术研究历史、爆破相关的数值模拟出发,总结了现有的不足,针对高地应力隧道的卸压爆破技术,进行了数值模拟。论文简述了岩石在爆破作用下的破碎机理,论述了岩石爆破的本构模型理论,研究了岩石在不同理论阶段的本构方程模型,分析了岩石在不同装药结构和不同起爆方式作用下岩石的破碎过程,为后面的卸压方案中的卸压爆破方式提供了理论基础。根据显示动力学理论知识,选取合适的有限元软件进行爆破模拟。综合考虑岩石力学理论、爆破动力学原理及有限元数值计算方法,在显示动力学分析有限元软件Ansys/Ls-Dyna选取符合本文数值模拟参数,其中包括基本控制方程、有限元的离散化、时间控制、模型边界条件等基本条件参数,除此之外,还需选取合适的岩石材料模型、炸药模型等材料的模型及适合本文模拟的数值计算方法。结合以上的理论基础进行模拟,模拟的装药结构有4种代表性的结构:连续装药结构、径向不耦合装药结构、轴向孔顶间隔合装药结构及轴向孔底间隔装药结构,除了装药结构方面的模拟外,还模拟了炸药的2种起爆方式:正向起爆和方向起爆。通过对不同装药结构及不同起爆方式的爆破过程模拟,对其模拟结果进行分析,选取了爆破过程中对围岩扰动影响最小的装药结构及起爆方式。利用Ansys中的静态结构分析模块,对爆破后的卸压效果进行模拟分析。通过静态数值模拟研究表明,与卸压爆破前相比,卸压后隧道围岩所受的竖向应力、水平应力及围岩的位移都有一定程度上的降低。通过在围岩上进行卸压爆破使应力向深部转移,说明在高地应力隧道中卸压爆破具有一定的操作性,从而保证了隧道围岩的安全性和稳定性,降低了岩爆等地下工程灾害的发生概率。本文的研究成果对于理论研究发展比较缓慢、且一般应用于小断面的巷道的卸压爆破具有一定的参考价值及工程现实意义。
【关键词】：高地应力 卸压爆破 装药结构 数值模拟
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 引言10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 卸压爆破研究现状11-13
• 1.2.2 爆破数值模拟研究现状13-14
• 1.3 研究内容与技术路线14-17
• 1.3.1 研究的主要内容14-15
• 1.3.2 拟解决的关键问题及创新点15
• 1.3.3 拟采用的研究方案15-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第2章 岩石爆破理论分析18-36
• 2.1 岩石爆破的基本理论18-19
• 2.1.1 爆炸应力波作用理论18
• 2.1.2 爆炸生成气体膨胀作用理论18
• 2.1.3 爆炸生成气体和应力波综合作用理论18-19
• 2.1.4 岩体爆破的损伤力学观点19
• 2.2 爆破作用下的岩石破碎过程19-20
• 2.3 岩石爆破的本构模型20-28
• 2.3.1 弹性理论20-22
• 2.3.2 断裂理论22-25
• 2.3.3 损伤理论25-27
• 2.3.4 分形损伤理论27-28
• 2.4 不耦合装药爆破的破岩机理研究28-35
• 2.4.1 连续装药破岩原理28-29
• 2.4.2 径向不耦合装药的破岩原理29-31
• 2.4.3 轴向间隔装药的破岩原理31-33
• 2.4.4 不同起爆方向的爆破机理33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 显式动力有限元分析理论36-47
• 3.1 数值模拟与有限元分析36-38
• 3.2 ANSYS/LS-DYNA简介38-42
• 3.2.1 基本控制方程38-39
• 3.2.2 有限元的离散化39-40
• 3.2.3 简化积分单元与沙漏控制40-41
• 3.2.4 时间积分与时间步长控制41
• 3.2.5 应力运算41-42
• 3.2.6 无反射边界42
• 3.3 模拟的材料模型42-45
• 3.3.1 岩体力学模型42-43
• 3.3.2 炸药模型43-44
• 3.3.3 空气模型44-45
• 3.4 LS-DYNA算法45-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 卸压爆破数值模拟47-63
• 4.1 工程概况47-48
• 4.1.1 地形地貌47
• 4.1.2 地层岩性及地址构造47-48
• 4.1.3 水文概况48
• 4.2 卸压方案48-49
• 4.3 连续装药与不耦合装药49-57
• 4.3.1 连续装药50-51
• 4.3.2 径向不耦合装药51-53
• 4.3.3 轴向间隔装药53-54
• 4.3.4 模拟结果及分析54-57
• 4.4 反向起爆57-60
• 4.5 正反向起爆结果分析60-61
• 4.6 本章小结61-63
• 第5章 卸压爆破效果分析63-71
• 5.1 卸压爆破前数值模拟63-66
• 5.1.1 计算模型63-64
• 5.1.2 计算结果分析64-66
• 5.2 卸压爆破后数值模拟66-69
• 5.2.1 计算模型66-67
• 5.2.2 计算结果分析67-69
• 5.3 卸压爆破效果分析69-70
• 5.4 本章小结70-71
• 结论71-73
• 总结71-72
• 不足与展望72-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-77
• 攻读学位期间取得学术成果77

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