缺陷介质双孔切槽爆破破坏行为试验研究

摘要

在铁路、公路建设过程中，隧道是其重要组成部分，特别是在西南山区，隧道的占比往往更大，因此，采用合适的隧道掘进开挖方法尤为重要。合理的控制爆破方法不仅可以降低对围岩的损伤，还能大大减少隧道的超欠挖量，从而缩短工期，节约施工成本。为进一步提高爆破施工效果，使岩体沿着预定的方向开裂，国内外许多学者通过改变炮孔形状和装药结构的方式进行了大量研究。但由于岩石内部的不均匀性和各向异性，存在不同的节理、裂隙、孔隙等因素，导致爆炸应力波的能量传递不均，影响裂纹的起裂和发展过程，使得最终的爆破效果不甚理想，甚至会出现明显的超欠挖现象和难以预料的安全问题，这样不但会延误工期、增加施工成本，还可能对施工作业人员造成生命财产威胁。因此，研究定向断裂控制爆破下，裂隙岩体的破坏行为尤为重要。　　本文采用切槽爆破的方式对于岩石的定向断裂控制爆破进行相关研究，为了体现出天然岩石所存在的节理、裂隙等特点，将试验试件通过激光切割的方式进行预制裂隙的加工来模拟岩石中的裂隙。首先通过岩石爆破理论和断裂力学的相关知识得到含缺陷介质的岩体进行切槽爆破的爆破理论基础，然后利用ANYSY/LS-DYNA进行数值模拟分析，最后用试件进行现场模型试验，并将试验结果和数值结果进行对比分析。论文研究成果主要有以下几点：　　利用断裂力学理论和岩石爆破理论的相应知识，明晰了缺陷介质岩体在切槽爆破中的成缝机理，得到了爆生裂纹的起裂、止裂条件和影响裂纹扩展方向的因素。此外还得到了爆炸应力波在缺陷介质岩体中的传播规律和衰减变化规律。　　通过ANYSY/LS-DYNA有限元软件对不同间距的平行裂隙与不同夹角的交叉裂隙双孔切槽爆破分别进行了数值模拟分析，得到了爆炸应力波在不同工况下的传播规律和岩石发生的位移变化情况。模拟结果显示：在爆破初始阶段，爆炸应力波的传播主要受炮孔切槽形状的影响，炮孔的缝槽对应力波的传播存在明显的导向作用，同时预制裂隙会阻碍应力波的传播，部分应力波会在裂隙处发生反射，对岩石产生反射拉伸破坏，随裂隙距离和夹角的增加，爆炸应力波对岩石的反射拉伸破坏作用越弱。岩石位移的变化情况在爆破初始阶段也是受炮孔切槽形状影响，沿切槽方向发展，后来逐渐向预制裂隙的端部发生偏转，最终由于爆破能量的减弱，裂纹停止扩展。　　采用有机玻璃试件进行现场模型试验得到了缺陷介质双孔切槽爆破的爆生裂纹分布特征，同时采集了不同点位的应力峰值，得到了应力波的传播规律。试验结果表明：在两炮孔的切槽端部均存在一条较长的主裂纹，表明切槽部位对岩石的定向断裂起着明显的控制作用，有利于岩石朝着预设方向发生破坏，同时预制裂隙会影响爆生裂纹的发展方向和炮孔粉碎区的破碎程度，当平行裂隙间距D或交叉夹角θ越小时，炮孔附近形成的环向裂纹越多、粉碎区破碎程度也越严重。而各测点的应变峰值随裂隙间距D或裂隙夹角θ增加逐渐减小，这是由于应力波随着四周扩散范围的变大而逐渐衰减，导致其应变峰值减小。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题的依据及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 切槽定向断裂爆破的研究现状

1.2.2 岩体裂隙对爆破作用效果的研究现状

1.3 本文研究内容和技术路线

1.3.1 本文的研究内容

1.3.2 技术路线

第2章 缺陷介质岩体切槽爆破理论研究

2.1 裂隙岩体切槽爆破的成缝机理

2.1.1 切槽爆破裂纹的起裂与止裂条件

2.1.2 切槽爆破裂纹的扩展方向

2.2 裂隙岩体切槽爆破应力波的传播和衰减规律

2.2.1 岩体爆破中爆轰波的基本方程

2.2.2 岩体爆破中应力波的传播规律

2.2.3 岩体爆破中应力波的衰减规律

2.3 本章小结

第3章 缺陷介质双孔切槽爆破数值模拟研究

3.1 ANSYS/LS-DYNA分析程序简介

3.2 数值计算模型介绍

3.2.1 几何模型尺寸及边界条件

3.2.2 材料模型及状态方程

3.3 数值模拟计算结果分析

3.3.1 爆炸应力波在裂隙岩体中的传播规律

3.3.2 裂隙岩体在爆炸应力波作用下的位移变化

3.4 本章小结

第4章 缺陷介质双孔切槽爆破模型试验

4.1 试验试件和设备

4.1.1 试验试件的选择

4.1.2 试验需要的相应设备

4.2 爆破试验方案和步骤

4.2.1 爆破试验方案

4.2.2 试验步骤

4.3 爆破试验结果分析

4.3.1 爆破裂纹的分布特征

4.3.2 爆炸应力波的传播规律

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献