爆炸荷载作用下岩体裂纹扩展特性研究

论文摘要

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。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 爆炸荷载的等效施加方法
•     1.2.2 岩体裂纹模拟方法
•     1.2.3 爆破荷载下岩体动态裂纹扩展
•   1.3 本文研究内容及方法
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 2 岩体爆破相关理论
•   2.1 岩石爆破理论计算模型
•   2.2 岩石断裂力学基础理论
•     2.2.1 裂纹尖端应力场及应力强度因子
•     2.2.2 岩石裂纹扩展机理分析
•   2.3 岩体爆破粉碎圈及裂隙圈半径计算
•     2.3.1 柱状药包爆破荷载理论解
•     2.3.2 爆炸荷载下岩石的动态断裂破坏准则
•     2.3.3 粉碎圈和裂隙圈半径理论推导
•   2.4 本章小结
• 3 单孔爆破下裂隙岩体爆生裂纹扩展特性研究
•   3.1 数值方法原理简介及可行性验证
•     3.1.1 控制方程及边界条件
•     3.1.2 有限元离散及求解算法
•     3.1.3 本构及状态方程选取
•     3.1.4 算例验证
•   3.2 裂隙岩体爆生裂纹扩展数值模拟
•   3.3 裂隙爆心距对爆生裂纹扩展的影响规律
•   3.4 裂隙角度对爆生裂纹扩展的影响规律
•   3.5 裂隙长度对爆生裂纹扩展的影响规律
•   3.6 本章小结
• 4 多孔爆破下岩体成缝机理研究
•   4.1 多孔爆破成缝机理分析
•   4.2 多孔爆破成缝过程数值模拟
•   4.3 自由面效应对多孔爆破成缝效果的影响规律
•     4.3.1 自由面效应的机理研究
•     4.3.2 自由面距离对成缝规律的影响
•   4.4 微差时间对炮孔成缝效果的影响规律
•     4.4.1 模型建立及分组
•     4.4.2 计算结果及分析
•   4.5 本章小结
• 5 “空孔效应”对爆破成缝效果的影响规律
•   5.1 “空孔效应”力学机理分析
•   5.2 空孔对炮孔成缝间距的影响规律
•   5.3 不同空孔孔径对爆生裂纹扩展的影响规律
•   5.4 不同空孔形状对爆生裂纹扩展的影响规律
•   5.5 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王泽军

导师: 陈铁林

关键词: 爆炸荷载,裂纹扩展,裂隙,多孔爆破,成缝,空孔效应

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 北京交通大学

分类号: TU45

总页数: 127

文件大小: 12835K

下载量: 306