爆破荷载作用下岩体振动特征的数值模拟

根据福建牛头山水电站地基岩体爆破开挖监测,运用离散元方法模拟了节理岩体距爆源不同距离处质点的振动速度和频率的变化特征,由此确定岩体质点最大振动速度和振动主频随爆源距离的衰减规律,并得到了距爆源一定距离处质点最大振动速度和振动主频与爆破药量的关系。数值模拟与现场实测的结果表明,用离散元软件 UDEC 计算得到的岩体振动特征和衰减规律与现场监测结果是基本符合的,误差在工程应用的允许范围之内,因此 UDEC 用于对岩体动态响应的数值模拟是适合的。

岩体爆生裂纹的数值模拟

利用广东岭澳核电站现场角岩岩体的基本动态力学特性和爆破参数,以及材料的VonMises破坏准则,通过ANSYS/LS-DYNA程序模拟了岩体单孔柱状装药的爆破破裂过程,分析了岩体爆破裂纹产生和扩展的机制,得到了岩体粉碎区和裂隙区的范围以及爆源近区岩体质点峰值压力的衰减规律。研究结果表明,岩体爆破粉碎区半径约为装药半径的6.5倍,裂隙区的半径约为装药半径的75倍,炸药起爆时粉碎区形成时间很短,大约为80μs,而裂隙区的完全形成则需要较长的时间。

广东岭澳核电站爆破开挖岩体损伤特征研究

为控制爆炸荷载作用下岩体的损伤范围,在岭澳核电站二期工程现场进行了爆前、爆后岩体声波测试,得到岩体的损伤范围。以此为基础,根据爆炸荷载作用下岩体损伤发展规律,基于概率形式定义损伤变量,利用有限元程序LS-DYNA和有限差分程序FLAC3D相结合的方法,对现场基岩爆破产生的岩体损伤范围进行数值模拟,并与现场岩体声波实验结果进行比较,确定爆炸荷载作用下岩体损伤门槛值Dcri=0.2,由此得到了岩体损伤范围随装药量的变化规律。结论认为,在柱状装药情况下,岩体损伤范围随装药量的增大而增大;爆炸荷载作用下的岩体损伤区深度小于损伤区半径,二者比例约为1∶3。

岭澳核电站二期工程基岩爆破安全阈值分析

核电站基础爆破开挖过程中必须严格控制岩体爆破损伤深度,确保建基面安全。以广东岭澳核电站二期工程基础爆破开挖为例,通过现场爆破振动监测、岩体声波试验以及数值模拟,综合分析了岩体爆炸振动衰减规律和损伤特征,研究了距爆源一定距离处岩体振动速度与损伤特征的关系,提出了岭澳核电站二期工程岩体爆炸损伤深度的控制方法,确定了相应的安全阈值。分析结果表明,岭澳核电站二期工程基础爆破开挖时,当距爆源30m处的岩体质点振动速度不超过5cm/s时,可保证下卧基岩的损伤深度小于2m,确保建基岩完整性。

岩体单孔及群孔齐发爆破爆炸荷载数值分析

采用广东岭澳核电站现场岩体的力学特性和基岩爆破参数,利用高能炸药的状态方程模拟岩石乳化炸药的爆炸过程,并假定岩石在爆炸产生的高应变率和高压环境下符合率相关的弹塑性本构关系,由此利用显式动力分析方法模拟单孔柱状装药和群孔齐发爆破柱状装药情况下的岩体爆炸应力波的传播过程,分析岩体爆炸粉碎区边界峰值应力的变化情况和衰减特征,并与相关理论公式进行比较,得到单孔和群孔齐发爆破情况下岩体爆炸荷载随装药量的变化规律。研究结果表明,爆源近区岩体爆炸冲击波压力急剧衰减;岩体爆炸峰值应力随装药量增加而增加;拉应力随药量的增长幅度远比压应力小;单孔药量的变化对岩体爆炸荷载的影响大于最大段药量的影响。工程实践中采用多爆孔小药量的爆破方式能有效减小岩体动态响应。

红沿河核电站基岩爆破的控制标准

以辽宁红沿河核电站核岛基础爆破开挖为例,分析了核岛基础不同区域的岩体力学特性以及各层开挖时岩体允许损伤深度的差异,指出必须根据实际情况提出岩体爆炸振动控制方法和标准。在此基础上,基于爆破振动监测和声波实验,分析了岩体爆破振动以及损伤特征,建立了核岛基础爆破开挖时岩体损伤深度与振动速度之间的经验公式,提出了不同区域、不同允许损伤深度的情况下岩体爆炸振动速度控制标准。研究结果表明,通过监测距爆源一定距离处的岩体质点振动速度控制爆炸损伤深度的方法是合适和有效的。

爆炸振动对塑性混凝土防渗墙的影响

根据混凝土结构设计规范和混凝土材料力学特性的研究成果,在塑性混凝土室内力学特性实验的基础上提出适合塑性混凝土材料受压和受拉状态下的全应力-应变关系。同时结合损伤力学中的能量等效原理,分别定义塑性混凝土材料在受压和受拉状态下的损伤定义,分析损伤发展过程。在此基础上,以辽宁红沿河核电站取水口施工围堰的防渗墙爆破振动控制为背景,采用数值计算分析在爆炸振动作用下,防渗墙顶部质点振动速度与防渗墙损伤面积的关系,据此制定塑性混凝土材料的爆炸振动速度控制标准。分析结果表明,当周围爆炸作用在防渗墙顶部产生的振动速度小于3.0 cm/s时,不会对混凝土产生影响;当振动速度为3.0～7.5 cm/s时,塑性混凝土损伤面积随振动速度线性增长;当振动速度超过7.5 cm/s时,损伤开始加速上升,防渗墙开始产生结构和功能性的破坏。

产甲壳素酶菌株的筛选与诱变

以胶体甲壳素作为惟一碳源,从自然界微生物中筛选并诱导到一株产甲壳素酶活性较高的菌株,经16S r DNA鉴定为Aeromonas sp.。并以该菌株作为出发菌株,经过一次紫外诱变,酶活是初筛菌株的1.48倍。再经过二次紫外诱变或者紫外-Li Cl复合诱变,酶活分别是初筛菌株的3.16和3.87倍,最高酶活达到3.48 U/m L。最后通过连续传代培养,确定了菌株HMX-16经过紫外和复合诱变后突变性状稳定性良好。

α与β石英相变的对称分析

晶体的空间群对称包含了大量晶体结构的信息,在相变前后晶体的空间群对称不同,相变的方向不仅受热力学限制,还受对称性限制。朗道的二级相变理论认为,相变是晶体中某种位移的不断增大产生的,位移的变换性质与诱导相变的不可约表示一致,因而原子位移的线性组合可以象一个矢量那样变换。当然对有序无序相交,是微观几率密度的改变,这时密度变量就象一个矢量那样变换。按照朗道的相变理论,晶体的自由能在相变点附近可展开为序参量的级数,随温度逐渐降低,序参量由相变点的零值逐渐增加,在任何温度点,晶体的自由能都给出极小值。

苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入岩岩石学特征及其储集性与含油性研究

火成岩油气藏逐渐成为重要的油气藏类型,但火成岩储层非均质性很强,储集性能变化很大,储层成因机制研究非常薄弱,成为制约火成岩储层评价的主要瓶颈。以苏北盆地溱潼凹陷古近系阜宁组二段侵入岩为研究对象,通过系统的岩心观察、薄片鉴定、电子探针分析测试和测井解释等,剖析了溱潼凹陷沙垛1井阜二段侵入岩岩性、岩相特征、储层特征和储层发育主控因素。结果表明:该区侵入岩的岩性纵向变化显著,由多期侵入岩叠加组成,顶部为辉绿岩,中部为辉石二长岩,下部为橄榄辉长岩;孔隙发育程度不均一,辉绿岩和辉石二长岩孔隙发育程度低,而橄榄辉长岩孔隙发育程度较高;由于多期侵入作用的叠加以及热液蚀变的改造,发育了较好的储集空间。孔隙类型主要为溶蚀孔和构造裂缝,还发育收缩裂缝。影响储层物性的主要因素是岩性和热液流体活动,其中橄榄辉长岩中辉石等暗色矿物最易蚀变,溶蚀孔发育程度高;此外,区域性的断裂构造在许多致密的火成岩中产生了大量的构造裂缝,有效沟通了侵入岩储层的孔缝系统,且为后期的溶蚀作用提供了岩浆热液流动的通道。沙垛1井钻遇的侵入岩总体上含油性差,下部侵入岩层中可见零星荧光显示,上部侵入岩层中基本不含油。

矿物二级相变理论及应用

相变是固体性质研究的一个重要领域,它不仅具有重要的理论意义,在技术上也有广泛的应用。在地学领域,矿物相变与地球动力学过程有密切的联系,通过矿物相变的研究可以了解矿物的生成和演化,了解地质作用的演化过程。因而矿物相变研究近年来有了较大的发展。目前矿物相变研究在不断向热力学和动力学研究方向发展。 1.矿物的二级相变和朗道理论矿物在给定的热力学条件下结构不稳定就套发生相变。热力学可以给出一个很好的相变分类。Ehrenfest把相变前后的自由能变化作为相变分类的依据,在相变点自由能的一级微分不连续的相变称为一级相变。

大断面隧道爆破开挖围岩损伤范围试验研究及数值计算

结合大帽山大断面隧道群的现场声波监测,研究推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法施工的大断面隧道的围岩累积损伤范围,声波监测结果表明,在推进式的多次爆炸荷载作用下,围岩将产生一定程度和范围的损伤;侧壁围岩的累计损伤范围主要由与其齐平的导洞I的开挖掌子面爆破决定;其损伤范围随着导洞I开挖掌子面的接近而逐渐增大,当两者齐平时围岩的损失范围达到最大;但当导洞I开挖掌子面逐渐远离和导洞III爆破开挖通过时,围岩的损伤范围并没有扩大,仅导致损伤围岩的损伤程度增大。基于此,在模拟推进式往复爆破荷载作用下围岩的损伤范围时,用与监测断面齐平的单次爆破近似表示推进式的多次爆破,通过DYNA软件将此决定围岩损伤范围的振动速度转化为爆炸压力,再将爆炸压力传递给用UDEC软件实现的各向异性岩体损伤模型,通过与声波监测结果对比,此方法可以较好地模拟推进式往复爆炸荷载作用下围岩的累积损伤范围,并可为类似工作提供参考和借鉴。

非线性回归法求解爆破振动速度衰减公式参数

准确分析场地爆破振动衰减规律是爆破工程设计的基本依据。通过考察爆破振动速度衰减公式中参数的线性回归方法和非线性回归方法,提出了线性残差平方和与非线性(亦即标准残差平方和)的概念,给出了求解衰减公式参数的非线性回归法,并详述了该方法的实现过程。结合工程实例,以标准残差平方和作为爆破振动实测数据与衰减公式拟合值偏差大小的判断依据,分析了线性和非线性回归分析方法得到的萨道夫斯基公式和其修正公式的标准残差平方和。分析结果表明,非线性回归分析方法的准确度明显高于线性回归分析方法;分别采用线性回归和非线性回归方法得到的萨道夫斯基公式和其修正公式的标准残差平方和非常接近,因此,采用两种形式的公式拟合爆破振动衰减规律都是可行的。

预裂爆破震动效应试验研究

为研究预裂爆破震动效应,在山东石岛湾核电站基坑进行多次爆破和声波测试试验,得到场地爆破震动衰减规律和爆孔下卧基岩的损伤范围。试验结果表明,岩性相同时,基岩损伤深度随最大段药量的增加而线性增加,随质点峰值震动速度增加而呈指数增加;离爆源越近,岩体受损程度越大;预裂爆破对爆孔上部岩体影响较大。同时,在试验的基础上,建立距爆源30 m处质点峰值震动速度与对应爆破影响下卧基岩深度的函数关系,进而确定以质点峰值震动速度为参考指标的预裂爆破安全控制标准,并在基坑边坡爆破中验证该控制标准的有效性。

节理几何特征对预裂爆破效果影响的数值模拟

运用有限元软件AUTODYN 2D计算爆炸荷载与离散元软件UDEC模拟节理岩体相结合的方法研究了节理几何特征对预裂爆破的影响。通过计算可知,预裂爆破时炮孔间的节理组对预裂成缝的影响明显,当节理法线与炮孔连线夹角在一定范围内时,预裂缝沿炮孔连线方向的平直程度随节理与炮孔连线夹角的增大而逐渐趋于平直,其中当节理组与炮孔连线夹角为90°时成缝效果最好,裂缝与炮孔连线基本重合,与理论分析较一致;节理间距对预裂爆破有较大影响,相同条件下节理间距越小,越难形成连通裂缝,减小炮孔间距有利于小节理间距情况下的预裂缝贯通。

岩石单轴压缩下能量与损伤演化规律研究

能量变化是材料各参数变化的本质特征。通过颗粒流模拟岩石单轴压缩试验,从细观力学角度分析能量转化、裂纹扩展及损伤演化规律。颗粒流利用细观颗粒的运动克服了宏观力学理论不易实现试件多裂纹破坏形态的缺点,以此研究能量变化更加合理。应力-应变各阶段能量与微裂纹及损伤存在着相互对应的发展关系。通过3种工况论证了宏-细观力学参数对应关系,采用最小二乘法拟合得出微裂纹与轴向应变呈幂次函数关系。采用割线模量定义损伤变量,取模量加速下降处(对应裂纹加速扩展)为损伤门槛,对应损伤阈值为0.158。3种工况下微裂纹数量与损伤呈线性发展关系,为损伤演化的深入研究提供参考。

考虑地震动空间非一致性的岩体地下洞室群地震反应分析

阐述人工合成考虑空间非一致性的多点地震动加速度时程步骤,提供合理的空间非一致地震动输入。在此基础上,建立一大型地下洞室群的三维数值计算模型,分析一致与非一致两种地震动输入情况下该地下洞室群的地震响应特征。研究结果表明,洞室群地震响应与激振源的位移时程曲线形式接近,表明围岩的惯性效应可以忽略;地震波幅值对于地下洞室地震响应具有决定性作用,而地震动的空间非一致特性对于讨论的轴向长度水平(轴线长度尺寸为300～400 m)的地下洞室的破坏未产生不利影响。因此,在进行类似的岩体地下洞室地震动安全评价时可以不考虑地震动空间非一致性的影响。

类节理岩石直剪试验力学特性的数值模拟研究

节理岩体的剪切特性是主导岩体工程稳定性的关键因素。基于PFC^(2D)离散元颗粒流程序,结合室内试验结果对比分析,选取合理的细观参数进行数值模拟,分别从细观角度研究了节理岩石的裂纹发展、能量转化及声发射现象等特性,从宏观角度研究了节理岩石的强度模型和破坏形态。结果表明:节理岩体主要呈现磨损和剪断两种破坏形态,不同的破坏形态对应不同的强度模型;随着剪切变形增加,岩体沿节理面发生破坏,弹性阶段以法向裂纹为主,而塑性阶段切向裂纹起主导作用,滑移区R、P裂纹贯通形成破碎带,节理面产生较大滑移;在应力达到峰值强度前,边界能主要转化为应变能,法向裂纹生成较多;越过峰值强度后,摩擦能快速增长,并伴随大量切向裂纹产生。与室内试验结果相比,PFC^(2D)较好地模拟了节理岩体剪切力学特性,弥补了室内试验中无法进行细观特性研究的缺陷,对于节理岩体后期研究提供了一些参考。

地震荷载作用下顺层岩体边坡变形特征分析

应用二维离散元程序UDEC计算了地震荷载作用下边坡的位移,并将计算结果与Newmark法计算结果及震后现场实测值进行了对比。结果表明,Newmark法计算得到的位移值较实测值偏小,离散元计算得到的位移结果较Newmark法更接近于实测值。在此基础上,初步分析了地震荷载作用下坡高、坡角、岩层倾角等因素对顺层岩体边坡位移的影响规律。由分析结果可知,地震荷载下顺层岩体边坡的位移并不随坡高增加而单调增大,在坡高约100 m时位移达到最大值,坡高超高100 m位移反而有所降低;当坡高超高200 m后,位移随坡高的变化幅度不大,顺层岩体边坡的位移随坡角增加而单调增大。随岩层倾角增加边坡位移明显增大;当岩层倾角大于层面内摩擦角时,随着岩层倾角的增大,边坡变形增长幅度明显增大。

三轴情况下花岗岩动态力学特性的实验研究

针对花岗岩进行了应变速率范围为10-4～1s-1、围压范围为20～170MPa的动三轴实验。实验结果表明:花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加,强度的增加幅度随围压的提高有减小的趋势,弹性模量以及泊松比与应变速率没有明确的关系;花岗岩的抗压强度随围压的增加明显增加,在不同应变速率下,这种增加趋势基本相同;随着围压的增加,花岗岩的弹性模量有小幅度增加的趋势,泊松比有小幅度减小的趋势。