初始地应力对隧洞开挖爆生裂隙区的影响研究

隧洞开挖过程中控制爆炸对岩体的损伤,减小爆破裂隙范围,对保证工程安全具有重要意义。基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机制的研究,采用摩尔-库仑准则及最大拉应力准则,研究了初始地应力对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,初始地应力对爆生裂隙范围有显著影响。在压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径随地应力的增大而减小,地应力侧压系数影响爆生裂隙区比例半径在洞壁圆周的分布。考虑围岩应力卸荷影响后,沿隧洞径向的爆生裂隙区比例半径比不考虑卸荷的小。拉伸破坏导致的岩体爆生裂隙区比例半径一般比压剪破坏模式下爆生裂隙比例小,爆炸应力波作用下隧洞围岩更容易沿结构弱面发生压剪破坏。     

优化复合锚固结构与单一锚固结构抗爆性能对比试验研究

优化复合锚固结构是由土钉和在土钉端部系统而规律地设置的一定长度的经特殊处理的空孔段群组成。空孔群在围岩介质中造成一个弱化区,弱化区介于支护结构与围岩介质之间,将原有的二介质系统（支护结构和围岩）,改变为三介质系统（支护结构、弱化区和围岩）。爆炸条件下,优先由弱化区产生变形、破碎、压实或压密,同时大量吸收爆炸能,使支护结构的危机得以转移至弱化区而本身不受损。优化复合锚固结构对比单一锚固结构具有优异的抗动静载性能。因此进行对比试验,研究优化复合锚固结构及单一锚固结构的抗爆性能。试验结果表明,在支护结构产生临界破坏前后,单一锚固结构的质点加速度量值是优化复合锚固结构的2.22倍以上,前者的动应变量值是后者的5.30～4.50倍以上。在临界破坏条件下,优化复合锚固结构的抗力是单一锚固结构的5.10倍以上,在极限破坏状条件下,前者是后者的4.13～3.40倍以上。     

条形药包爆破预制贯通裂纹动态断裂过程研究

采用动态焦散线试验和ABAQUS数值分析方法,对条形药包爆破载荷作用下不同角度预制贯通裂纹的扩展行为进行了研究。研究结果表明：在爆炸应力波的作用下,柱部区域和端部区域0°预制贯通裂纹远端翼裂纹背离炮孔方向扩展,而近端翼裂纹朝向炮孔扩展。预制贯通裂纹远端的应力集中程度较近端高,并且远端翼裂纹的止裂韧度更低,翼裂纹更易扩展。在爆炸应力波的作用下,柱部区域90°预制贯通裂纹由张开逐渐转为闭合,爆炸应力波在已闭合的预制贯通裂纹面发生透射,并在预制贯通裂纹尖端产生压剪应力集中,形成以II型断裂为主的I-II复合型裂纹,并近似垂直于预制贯通裂纹面扩展,随后,在自由面反射应力波的作用下,反翼裂纹沿预制贯通裂纹面起裂扩展;炮孔端部区域90°预制贯通裂纹处翼裂纹的起裂是由于爆炸应力波在预制贯通裂纹处产生反射拉伸波的结果,促使预制贯通裂纹端部产生拉应力集中,形成近似I型裂纹,随后,翼裂纹逐渐转向爆炸应力波传播方向扩展。     

基于SPH-FEM耦合法的土体爆炸效应数值研究

岩土体爆炸破坏问题是岩土工程领域的研究热点,为开展小当量集团装药在不同埋置深度时的土中爆炸效应分析研究,在LS-DYNA框架内建立基于光滑粒子流体动力学-有限元耦合方法（SPH-FEM）的砂土地基爆炸效应分析模型。计算结果表明：浅埋装药时最大爆坑深度到达时刻远在最大爆坑直径之前,地基表层砂土体剪切流场对爆坑直径的发展具有决定性作用;随着药包埋置深度的增加存在一个临界爆坑直径,爆坑直径近似认为只与药包当量和埋置深度相关,经简化与经验假定之后得到的爆坑直径与埋药深度之比与比例距离近似呈直线关系;砂土中爆炸波在近区表现为强间断的冲击波形式,压缩作用是造成近区砂土大变形流动的主要因素,而在爆炸远区则转变为连续的应力波形式;土中爆炸波峰值压力随比例爆距的衰减规律与经验曲线基本一致。研究结果可以为地基工程的抗爆设计及加固提供参考。     

岩石中平面装药爆炸作用下不同高跨比结构抗爆性能试验研究

通过平面装药加载试验,研究了平面装药爆炸荷载作用下不同高跨比结构的抗爆性能。结合历次强爆炸结构效应试验,分析了强爆炸作用下硬岩中支护结构不同破坏等级对应的破坏特征。详细描述了不同高跨比结构的宏观破坏形态,揭示了结构的破坏机制。试验表明：3种不同高跨比结构在荷载环境相同情况下,结构的破坏特征和破坏等级不同,高跨比为1.17的结构试验段,拱部产生挤压、压剪破坏,坑道内呈现中等堵塞,属于严重破坏;高跨比为1.50的结构试验段,拱脚产生贯穿压剪破坏带,直墙受拉伸剥离破坏,坑道内呈现中等剥离,剥落混凝土在底板形成大量堆积,属于中等破坏;高跨比为1.00的结构试验段,主要受劈裂剥离破坏,坑道内呈现轻微剥离,剥落混凝土在底板形成局部堆积,属于中等破坏。综合分析可知,高跨比为1.00的结构型式整体抗爆性能最佳。     

冲击作用下的压头破岩机制研究

与静态岩石破碎过程相比,冲击作用下岩石的应力改变具有时间效应,应力波传播过程中表现出压、拉变化。基于损伤演化原理和有限元数值模拟方法,针对冲击荷载作用下的压头破岩机制进行了模拟分析。为排除边界上反射波的影响,黏弹性边界被纳入计算中。首先论证了黏弹性边界在均质和非均质介质中的计算精度,然后分析了冲击作用下不同均质度的岩石以及砂砾岩的响应规律,结果显示：在弹性情况下,压头与岩石接触边缘以及自由面附近是拉应力分布区,接触边缘拉应力最大。剪应力最高值并不位于接触面附近,而是离接触面有一定距离。较均质岩石主要呈现拉伸破坏模式,先出现赫兹裂缝,然后是径向裂缝和侧向裂缝,拉应力的产生成为诱发裂缝萌生和扩展的主因。当岩石均质度较低时,岩石的破坏形式呈现多元化,剪切破坏比重加大,表现为复杂的拉剪破坏模式。对于砾石粒径较大、含量较多的砂砾岩,砾石和基质的非均匀性不可忽略,冲击下破坏模式以绕粒环行和穿粒破坏为主。总体说来,对于岩石类准脆性材料,应力波传播过程中产生的拉应力是失稳的诱发和扩展的关键。     

全长粘结式锚杆加固洞室抗爆性能试验研究

通过模型试验, 研究了在平面装药爆炸应力波的作用下,全长粘结式锚杆加固洞室抗爆性能。试验结果表明,通过分析自由场压力-时程曲线,证明试验数据可靠;经过加固的洞室拱顶位移峰值减少明显,当比例距离为5.23 cm/g1/2时,洞室发生破坏;在平面波的作用下,两个洞室洞壁各个位置都产生压应变,最大应变出现在拱脚处,随着比例距离减小,拱顶应变峰值先增加后减小,最大应变峰值越来越大;拱顶是加速度振动最激烈的地方,经过加固可以降低拱顶加速度,但效果不明显,在变形不大时底板加速度增加较大,必要时应该采取减震措施,经过加固洞室侧墙加速度普遍有不同程度减小,并且破坏越严重效果越明显,随着比例距离减小,拱顶和侧墙加速度越来越大,尤其当比例距离为5.23 cm/g1/2时,加速度急剧上升。     

爆炸应力波对新浇混凝土衬砌的影响研究

爆炸应力波作用下新浇混凝土衬砌的破坏模式及安全振动速度是水电、铁道工程隧洞建设中需要解决的重要问题。根据弹性P波及SV波在介质中的传播规律,讨论了P波及SV波在薄层混凝土衬砌中的传播及近似处理方法,依照莫尔-库仑准则、极限拉应力准则、极限拉应变准则,研究了爆炸应力波作用下新混凝土衬砌的破坏模式及安全振动速度。结果表明,入射应力波及衬砌中的折射波对衬砌的破坏作用最主要,折射波在衬砌内产生的反、折射波将降低衬砌中的应力,具有卸载效果;混凝土衬砌的安全振动速度随着龄期的增大而增大,P波入射时,安全振动速度随着入射角的增大而增大,入射角较大时,胶结面容易发生剪切破坏,较小时,容易发生拉伸破坏,SV波入射时,较小角度下容易发生剪切破坏,较大角度时容易发生拉伸破坏;围岩弹性模量越高,衬砌的安全振动速度越小。     

新型复合锚固结构抗爆优化设计数值模拟分析

新型复合锚固结构是指“锚杆-构造措施”型复合锚固结构,用于洞室的加固支护。“构造措施”是指在锚杆里端规律设置一段表面经过处理的空孔。这段空孔对周围介质起弱化作用,因而称为“弱化孔”。新型复合锚固结构优化设计因素包括：①弱化孔直径d;②弱化孔密度;③弱化孔长度l;④锚固区厚度t。利用LS-DYNA程序依次对4个因素的优化设计进行了数值计算分析,得出：弱化孔直径的优化设计值为 1.0 cm;弱化孔密度的优化设计为沿环向布设24个弱化孔;弱化孔长度的优化设计值是 25 cm;锚固区厚度的优化设计值是 25 cm（或锚固区厚度与弱化孔长度的比值为1）。     

锚杆垫板形式对洞室抗爆效果的影响试验研究

为了研究爆炸条件下不同垫板形式锚杆对洞室加固效果的影响,现场试验中选择了平板和碗形两种不同的垫板形式。通过抗爆试验,对锚固洞室宏观破坏形态、洞壁位移特征、拱顶位移与比例距离之间的关系以及爆心两侧拱顶各点位移进行了对比,分析了两种垫板形式在爆炸条件下对洞室加固效果的影响。试验结果表明：在爆炸条件下,碗形垫板可以充分发挥锚杆抗拉能力高的特点,拱部围岩经碗形垫板加固后,整体刚度能够得到较大提高,对岩体的加固效果较好。     

预裂爆破作用下岩石裂纹动态应力强度因子分析

通过有限元分析软件ANSYS数值模拟手段,分析了爆破荷载作用下,裂纹长度与类型、不同的装药量对裂纹尖端动态应力强度因子的影响以及预裂与光面爆破动态应力强度因子比较分析,计算得出：预裂爆破预裂缝的产生主要是从炮孔处产生的开口裂纹在冲击波以及爆生气体的作用下扩展形成的;随着药径与孔径比的增大,动态应力强度因子也逐渐增大,动态应力强度因子曲线形态不变;由于自由面的存在,光面爆破裂纹应力强度动态因子后续峰值较预裂爆破的大。     

混凝土含水裂隙中爆炸压力传播的模型试验研究

爆炸作用下含水裂隙中水压力的分布及传播特征对分析含水裂隙岩体初始裂纹扩展机制具有重要意义。通过含水裂隙的混凝土室内爆炸试验,测量了爆炸时含水裂隙中的水压力,分析了含水裂隙中水压力的荷载特性及传播特征,并研究了裂隙张开宽度及爆炸药量对水压力荷载的影响。试验研究结果表明：爆炸作用下含水裂隙中水压力时程分布呈多峰波动分布,水压力来源包括爆源通过水介质直接传递的荷载及通过混凝土间接传递的荷载,且在不同裂隙长度,荷载峰值主要来源不同;相同装药条件下,含水裂隙中水压力随距爆源距离增大而迅速衰减,裂隙中同一位置水压力大小与裂隙张开宽度呈负相关;混凝土室内爆炸试验含水裂隙中水击波所带能量频谱主要集中在7.8～62.5 kHz,是一种高频信号。随距爆源距离的增加,能量分布向低频集中;水击波频带能量分布特征受爆炸药量及裂隙张开宽度的影响。当量为4.5 g TNT（三硝基苯）乳化炸药装药相比 8.1 g TNT乳化炸药装药爆炸时水击波高频信息更丰富;相同爆炸药量时,随混凝土中含水裂隙张开宽度的增加,水击波频带能量分布峰值呈现向中间频带移动的趋势。     

Application of Air Decks in Production Blasting to Improve Fragmentation and Economics of an Open Pit Mine

In blasting with air decks, repeated oscillation of shock waves within the air gap increases the time over which it acts on the surrounding rock mass by a factor at between 2 and 5. The ultimate effect lies in increasing the crack network in the surrounding rock and reducing the burden movement. Trials of air deck blasting in the structurally unfavourable footwall side of an open pit manganese mine has resulted in substantial improvements in fragmentation and blast economics. Better fragmentation resulted in improved shovel loading efficiency by 50–60%. Secondary blasting was almost eliminated. Use of ANFO explosive with this technique reduced explosive cost by 31.6%. Other benefits included reductions in overbreak, throw and ground vibration of the order of 60–70, 65–85 and 44% respectively. This paper reviews the theory of air deck blasting and describes in detail the air deck blast trials conducted in a manganese open pit mine in India. The blast performance data have been analysed to evaluate the benefits of air decking over conventional blasting.     

Numerical Analysis of Deformation Control of Deep Foundation Pit in Ulanqab City

The deformation of a deep foundation pit in Ulanqab city was analyzed by in situ monitoring and numerical simulation data. First, a limit equilibrium method was used to evaluate the stability of foundation pit under non-supporting and ribbed plate anchored retaining wall support. The results show that the ribbed plate anchored retaining wall support could control the soil deformation effectively in deep foundation pit. Additionally, a three-dimensional finite difference model of excavation zone and reinforcement structure was established using FLAC3D software to simulate the excavation of deep foundation pit. The simulation results were verified by monitoring field data. The simulation results show that all the bolts are in the tension state, and the maximum axial force is located at the end of the bolt, with a value of 46.4 kN. Foundation pit excavation is a continuous stress release process, making the rock and soil of side wall of foundation pit slide towards the free surface. The largest deformation is 4.0 mm, near the side wall of foundation pit, consistent with the deformation monitoring results.

     

On size and boundary effects in scaled model blasts—fractures and fragmentation patterns

This contribution is the third part of a paper addressing size and boundary effects on explosively induced wave propagation, fracturing and fracture pattern development in small scale laboratory specimens, which are frequently used for model blast tests. Small cylindrical and block type specimens fabricated from concrete, sandstone and amphibolite are centre-line loaded by linear explosive charges and supersonically detonated. Using shock wave theory, elastic wave propagation theory, and fracture mechanics it is shown that the type of boundary conditions prescribed at the outer boundary of the cylinder controls the extension of stem cracking and the development of the fragmentation pattern within the body of the cylinder and the cube specimens. In the case of a composite specimen, where a cylindrical core of different material is embedded in a cylinder or in a cube, the level of fracturing and fragmentation is controlled by the conditions and possible de-lamination of the interface which, in turn, depends on the relative dimensions of the core and the block. Using known results from the theory of wave interaction with free boundaries and interfaces it will be shown that the fracture strain and the notch sensitivity of the material expressed by imperfections play an important role. Equally important is the ratio between the length of the pulse (space-wise or time-wise) and the characteristic dimensions of the models. Axi-radial boundary cracks and spalling will be explained on the basis of earlier wave propagation studies associated with supersonic blasting. Theoretical results are in good agreement with numerical simulations and recent experimental findings.     

加锚预制裂隙类岩体锚固机制试验研究及其数值模拟

为研究锚杆对裂隙岩体的锚固机制及其影响因素,对预制锚固单排裂隙试件进行单轴破断试验。提出了主控裂纹的概念,即控制试件强度弱化和最终破坏的一条或几条大裂纹称为主控裂纹。在不同的锚固条件下主控裂纹会有不同的产状：在有效锚固范围内,裂隙试件具有横向和纵向两类主控裂纹,而在无锚或有效锚固范围之外的试件仅有纵向一条主控裂纹贯通。通过声发射和应力监测表明,在有效锚固范围内锚杆能延迟主控裂纹产生和提高裂隙试件强度。另外,利用ANSYS软件对不同锚固条件下的裂隙尖端应力强度因子进行数值计算,得到了锚固距离和锚固倾角与裂隙尖端应力强度因子之间的关系;通过FLAC3D模拟了不同锚固距离下主控裂纹贯通模式,数值模拟与试验结果比较吻合。     

地铁盾构隧道上方基坑开挖卸荷-加载影响研究

为提升地铁盾构隧道的防灾减灾能力,以北京某典型地铁盾构隧道及邻域的基坑工程为基础,应用相似材料模型试验与数值模拟相结合的方法,研究了上方基坑开挖卸荷-加载作用下地铁盾构隧道的变形特征及围土压力分布规律,并对基坑底部与盾构隧道顶部净距和基坑加载强度的影响进行了分析。研究结果表明：盾构隧道上方基坑开挖卸荷-加载过程中,随着基坑开挖卸荷的进行,盾构隧道逐步上浮,基坑开挖至底部时,竖向位移达到最大值;随着基坑加载的进行,竖向位移可得到适量恢复,最大竖向位移差及最大水平位移差均出现在基坑开挖卸荷完成阶段,此时应尽早完成基础底板封闭施工。基坑开挖卸荷-加载过程中,盾构隧道围土压力始终呈葫芦型对称分布,盾构隧道顶部及底部土压力较大,腰部土压力较小,基坑开挖卸荷完成后,长轴方向土压力明显减小,基坑加载完成后,土压力有所恢复,但并未达到最初状态。随着基坑底部与盾构隧道顶部净距的增加,盾构隧道结构位移、拱顶与拱底竖向位移差及水平收敛均逐步减小,当净距大于3 h（h为基坑深度）时,上方基坑卸荷-加载对盾构隧道影响逐步趋于轻微。在基坑加载强度为卸载强度的2倍时,盾构隧道竖向位移可恢复至最初状态。     

高饱和度饱和土中爆炸波与结构的相互作用

利用改进的? 2.5 mm×5 m的模拟爆炸装置进行了一系列爆炸波与结构相互作用的实验,得出了爆炸波作用下结构上的表面压力、动量、应变的实测波形。实验结果表明,由于结构刚度较小,在相同爆心距离条件下结构的荷载与自由场的压力值相差不大;荷载在顶板的分布较为均匀,结构在爆炸载荷作用下发生整体变形,可以用中心荷载代替整体荷载;结构对爆炸波的反射,无论是弹性波还是冲击波,反射规律基本一致。随着饱和度的增大,结构上的反射系数和爆炸冲击波波速也随之增大。     

坑道口部管棚加固抗爆性能模型试验研究

正确评估管棚加固围岩的抗爆性能,对坑道口部防护设计十分重要。基于相似模拟理论,用不同配比的水泥土替代自然岩体和注浆岩体,用塑料管替代钢管,模拟管棚超前支护坑道口部在爆炸荷载作用下的抗爆性能。制作了口部相似模型3件,模型长×宽×高为2 m×2.2 m×2 m,在顶部直接爆炸,分别模拟无管棚、1层管棚和3层管棚下,坑道口部动力响应和破坏特征。试验表明：管棚超前支护能有效加固坑道围岩,整体性增强,受力分布合理;随着管棚层数增加,口部破坏明显减弱,拱顶破坏范围从1.55 m减小到0.45 m、主裂缝最大宽度由25 mm减小到3 mm、网状裂缝最大宽度由24 mm减小到0.3 mm、裂缝条数由14条减少到3条、模型顶部爆坑体积由0.12 m3减小到0.05 m3。管棚超前支护能有效地将爆炸荷载的破坏作用控制在管棚加固层之外,抗打击能力明显增强。