φ40 mm孔径下爆炸应力波衰减特性试验研究

为了研究爆炸应力波在基岩中的传播和衰减规律,利用不同标号的混凝土代替不同等级围岩,对φ40 mm孔径下不同装药结构的工况进行爆破试验。通过制作及预埋PVDF薄膜传感器,测量6种装药结构下不同距离处的爆炸应力峰值,探究不同药量、不同岩石性质对爆炸应力波传播的影响。通过试验得到了C20、C30、C40混凝土试件在试验所涉及的范围内爆炸应力波随传播距离衰减的指数关系式。试验结果表明随着介质波阻抗的增大,该介质内部的爆炸应力波衰减系数会增大的规律,同时也验证了利用PVDF传感器测量混凝土内部的爆炸应力峰值这一方法是可行的,测试数据是可靠的,对后续不同岩土介质下的应力衰减规律研究和工程应用有一定的指导意义。

爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展的动态分析

采用透射式焦散线测试系统,进行爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展试验,研究了含与炮孔共线的预制裂隙介质裂纹扩展速度、加速度、裂纹尖端动态应力强度因子和动态能量释放率的变化规律以及它们之间的变化关系。试验结果表明,在爆炸应力波作用下裂隙两端产生了两条翼裂纹A、B,翼裂纹A的长度较翼裂纹B长,两条翼裂纹向相反的方向扩展;在翼裂纹扩展过程中,存在着加速与减速的过程,扩展速度瞬间达到峰值,其后逐渐振荡下降;动态应力强度因子也呈现瞬间达最大值到逐渐减小连续振荡变化的趋势,动态应力强度因子KId>KIdI;翼裂纹尖端的动态能量释放率对裂纹扩展具有驱动作用。

爆炸应力波作用下分支裂纹动态力学特性试验

应用爆炸加载的透射式动焦散线测试系统,分析了平板中预制贯通裂纹在爆炸应力波作用下端部衍生分支裂纹及爆炸主裂纹的扩展规律。预制贯通裂纹面在压缩应力波及反射拉伸波作用下表现出明显的张开和闭合交替变化,预制贯通裂纹减弱了爆炸主裂纹的动态扩展行为,爆炸主裂纹难以穿过预制贯通裂纹继续扩展。分支裂纹是爆炸应力波在预制贯通裂纹端部衍射效应形成应力集中而衍生、起裂、扩展,其开裂角与预制贯通裂纹、爆炸应力波入射角密切相关,分支裂纹尖端沿着最大能量释放率方向起裂,逐渐平行于最大主应力的方向稳定扩展,中后期扩展多表现为复合型断裂。爆炸分支裂纹的动态应力强度因子、扩展速度低于爆炸主裂纹,获得了分支裂纹起裂韧度为0.50～0.65 MN/m3/2、止裂韧度为0.25～0.35 MN/m3/2。

爆炸应力波的破岩特征及其能量分布研究

通过对岩体内炸药爆炸产生应力波破岩特征分析 ,得出了更为精确的应力波作用下裂隙区半径计算公式 ,同时对岩体内的原生裂纹及爆炸应力波损伤作用下的爆生裂纹的最终扩展长度进行研究。并利用实验室模型试验和ADINA计算程序对岩体内应力波能的数值进行计算分析 ,得出当小抵抗线大孔距时 ,岩体内应力波能分配较均匀 。

强爆炸应力波作用下岩石地下洞室的破坏现象学

为了发展更准确实用的地下洞室抗爆工程类比设计方法,对强爆炸试验中地下洞室工程破坏效应进行了综合研究。讨论了强爆炸岩体应力波与自由场岩体破坏、岩石洞室应力波破坏的一般图像、洞室关键破坏部位与破坏方式、洞室破坏影响因素以及洞室破坏分区的问题。洞室的破坏在根本上是由爆炸荷载决定的,地质介质特征在很大程度上控制了洞室破坏的表现形式,洞室工程特征的变化又可使破坏程度和细节破坏形态发生改变。若场地岩体较均质、应力波传播和洞室破坏定量规律较清楚,工程设计时可先按破坏分区表进行洞室破坏的一级估计,然后再计入局部因素进行修正。

爆炸应力波在各向同性损伤岩石中的衰减规律研究

通过对一维应力波在Hopkinson压杆之间的试件内的衰减及折反射关系分析 ,导出了衰减率的表达式 ,然后对含损伤的岩石试件进行冲击实验 ,得到了衰减率与初始损伤的关系式 ,从而提供了一种测定衰减率的实验方法。通过应力等效模拟 。

爆炸应力波作用下层理介质断裂的动焦散实验分析

利用爆炸加载动焦散试验系统,进行了有机玻璃的透射式动焦散试验.记录了含层理介质裂纹扩展的全过程,发现裂纹穿过层理偏移一定距离后继续扩展的现象.给出了爆炸荷载作用下裂纹尖端应力强度因子随时间的瞬态变化曲线.对爆炸应力波在层理介质中引起断裂的机理进行了进一步的研究,讨论了层理对应力波传播的影响.利用应力波传播理论分析,得出层理中裂纹与层理后裂纹产生的机理不同,为层理岩体定向断裂控制爆破研究提供了新方法.

节理岩体中爆炸应力波传播规律的研究

为了研究爆炸应力波在岩体中的传播过程,建立了基于ABAQUS/EXPLICIT的有限元数值模型,采用ricker子波作为爆炸场源,并将得到的数值结果与现有文献相比较,充分说明了采用ricker子波作为爆炸源模拟爆炸应力波传播问题的可行性。研究结果表明:炸药起爆后,按照时间顺序,岩体中先后呈现3种应力状态,即径向压应力与环向压应力形成的复合压剪应力场、径向拉应力与环向拉应力形成的复合拉剪应力场、径向压应力与环向拉应力形成的复合拉剪应力场。爆炸应力波在节理两端产生的反射波和衍射波与爆炸应力波的相互叠加使节理两端的应力显著增强,并最终促使爆生翼裂纹从节理两端起裂扩展。

爆炸应力波作用下裂纹与孔洞的动态焦散线分析

将高速摄影技术与动态焦散线方法相结合，研究了爆炸应力波对裂纹、空孔的作用历史，记录了环绕它们的动态焦散斑图，给出了爆炸应力场中裂纹尖端复合应力强度因子的时间依赖关系以及空孔周围应力场分布的瞬态变化过程，为固体介质的爆破机理研究提供了新方法。

基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型

针对华南地区突出矿区分布广泛、煤与瓦斯突出事故严重的现状,结合该地区地质构造复杂构造煤广泛分布和大部分矿井采用炮采炮掘工艺的特点,提出一种基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型,并对该模型进行了理论分析。研究表明:爆炸应力波在传播过程中形成的稀疏波会引起该波经过的区域密度减小、体积增大,煤层瓦斯压力降低,进而破坏煤体瓦斯原有吸附平衡状态,大量吸附瓦斯解吸导致煤层瓦斯压力上升;当掘进工作面前方煤体一定深度存在构造煤带时,爆炸应力波从掘进工作面爆源传至未破坏煤体与构造煤带交界面,由于爆炸应力波的反射加强作用使构造煤迎波一侧未破坏煤体产生拉伸破坏,而掘进工作面前方存在的应力集中带不会引起爆炸应力波对煤体产生反射拉伸加强破坏作用;掘进工作面向构造煤带推进需要周期性的爆破作业,爆炸应力波的强度随着距爆源的距离增加而衰减,产生的爆炸应力波对煤体的瓦斯解吸作用和破坏作用不断增强,产生爆炸应力波的累加效应。

爆炸应力波在层状节理岩体中传播规律及数值模拟

为了得到爆炸应力波在层状节理裂隙岩体中的传播与能量衰减规律,以便更好地研究围岩结构动力稳定性,以凤凰山铁矿为研究背景,建立了2种巷道模型:一种在巷道上方预设2个平行的水平节理,另一种不含节理。通过进行相似理论与试验研究和FLAC^(3D)数值模拟软件的非线性动力反应对比分析,在输入爆破荷载后,分析在不同时刻和位置时,完整岩体的地质力学模型和节理岩体的地质力学模型的爆炸应力波质点速度。结果表明:爆炸应力波在节理岩体中的衰减比在完整岩体中的衰减快;在同一质点处,各方向上的衰减各不相同,并且2种方法的结果几乎相同。研究成果为爆破应力波规律的把握和对巷道进行支护提供了重要的理论依据。

深埋岩石洞室受爆炸应力波作用的破坏效应

基于工程观测资料,采用现场试验数据综合分析、小比例化爆模拟实验和岩石脆性破坏模型的三维动力有限元数值模拟的方法,研究了深埋岩石洞室在爆炸应力波荷载作用下随着各种条件的变化而发生的破坏效应。

正入射爆炸应力波与运动裂纹作用的动态光弹性实验研究

采用动态光弹性实验方法,研究了正入射爆炸应力波对运动裂纹的作用效果。实验得到了运动裂纹与正入射爆炸应力波作用过程的光弹等差条纹变化图,分析了正入射爆炸应力波对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的影响效果,以及正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展轨迹的影响。研究表明:正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展方向没有明显影响,但对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度有显著时间相关性的抑制和增强作用;当正入射爆炸应力波P波前端压缩脉冲相与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子会受到抑制;当正入射爆炸应力波P波尾部拉伸脉冲相和S波与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子则得到显著增强。

爆炸应力波入射一定厚度结构面时透射系数分析

从波的基本理论出发 ,推导了爆炸应力波入射一定厚度结构面时透射系数的理论计算公式。通过对相似模型超动态应变的测试验证了所得理论公式的正确性 ,并获得了透射率随入射角的变化规律。

爆炸应力波作用下煤体损伤累积规律模拟试验研究

为进一步改善瓦斯爆破抽放效果,分析煤体爆炸应力波作用损伤过程与机理,设计并完成模拟煤体爆炸应力波损伤累积试验。测试试块的超声波波速并计算损伤值。分析爆炸应力波作用下煤体损伤累积过程与规律。结果表明,煤体爆炸应力波损伤是爆炸应力波直接压缩和拉伸作用以及间接扰动作用的结果。随着爆炸应力波作用次数的增加,煤体损伤持续增加,近区测点损伤值在较高阈值内快速增加,中远区测点损伤初期在较低阈值内缓慢增加,后期随着累积效应的增强损伤快速增加;近区测点累积损伤随与炮孔中心距离的增大而快速衰减,中远区累积损伤缓慢减小;煤体强度等力学参数大幅度劣化,宏观裂纹形成后,煤体将在较低损伤值条件下发生断裂破坏。

爆炸应力波近似处理的分析与研究

通过弹性球面波的势函数求得了爆炸应力波BSW模型中弹性球面波的径向应力、质点振速等的显式解析解,并据此通过数值模拟得出实际计算中将球面波按平面波近似处理的误差及该误差随爆源距离、泊松比等的变化而产生变化的曲线。分析结果表明:距离是影响误差的决定性因素;在此计算条件下,当距离大于2～5m时,弹性球面波即可近似按平面波处理,其误差不超过5%,当距离小于此范围时,误差较大。

水饱和岩石中爆炸应力波传播的数值模拟

基于连续介质力学和不相融混合物理论,假定组分间无相对运动,采用B-W-N-B有效应力准则,在屈服面中引入孔隙影响因子,提出了一种多孔含水介质流固耦合的本构模型,并给出了孔隙的演化方程,对水饱和凝灰岩介质中的爆炸应力波传播作了数值模拟。数值计算给出的应力波形与实测结果有良好的一致性。采用本文中所述流固耦合本构模型,可很好地预测水饱和岩石中爆炸波的演化规律。

爆炸应力波在含层理介质中传播规律的实验研究

采用超高速数字图像相关实验系统,进行了爆炸应力波在含层理结构的PMMA试件中的传播试验,分析了全场应变的演化过程和相关测点的应变时程变化。实验结果表明:爆炸应力波在含有层理的介质中传播时,层理远区的应力波衰减幅度比层理近区的应力波衰减幅度大。通过应变云图的演化过程发现,应力波遇到层理后会发生反射,入射拉伸波与反射拉伸波叠加形成了较强的拉伸集中区,并沿着层理向两端扩展逐步减弱。此外,通过数据拟合得到了层理内、外侧的应变峰值衰减规律,应变峰值的衰减随距离基本是线性的,且层理内侧的应变衰减速度大于层理外侧的。

不耦合装药下爆炸应力波传播规律的试验研究

通过室外爆破试验,利用预埋研制的PVDF压力传感器对耦合及水不耦合延长药包装药爆破时爆炸应力波的中远场压力进行测量,拟合实测结果,得到4种不耦合系数下爆炸应力波峰值随传播距离衰减的指数关系式。分析试验结果可知:①在试验所涉及的范围内,不耦合装药时爆破应力波峰值衰减幅度小于耦合装药(即K=1)时爆破应力波峰值衰减幅度,验证了水介质作为炸药爆轰产物与岩体间的弹性缓冲层作用,减少了粉碎孔壁岩体造成的能量耗散,增加了能量传递,加大了爆炸的作用范围;②当不耦合系数K=3.29时,应力波峰值衰减指数表现出大于K=1.79及大于K=2.57时应力波峰值衰减指数的趋势,表明过大的不耦合系数造成了不耦合介质——水过多的能量耗散(在高温高压下水并不完全是弹性的),削弱了不耦合装药爆破的优势;③在不耦合装药爆破中,存在最佳的不耦合系数,此时爆炸应力波峰值衰减最慢,爆炸能得到充分利用,达到最优的爆破效果。研究结果对不耦合装药爆破的设计及工程应用有一定的指导意义。

爆炸应力波作用下空孔周围裂纹群的扩展规律

为探究爆炸载荷下空孔应力集中区裂纹群扩展规律,采用爆炸加载透射式焦散线系统,研究单炮孔作用下空孔周围预制裂纹扩展的动态行为。研究结果表明:在空孔与炮孔连线方向上,空孔迎爆侧、背爆侧预制裂纹起裂并扩展,其余方向预制裂纹没有扩展,背爆侧裂纹扩展长度大于迎爆侧裂纹扩展长度;迎爆侧、背爆侧裂纹不会同时起裂,两者起裂时间差为40μs左右,迎爆侧裂纹在扩展阶段的速度和应力强度因子峰值大于背爆侧裂纹相应值;空孔对于爆生裂纹的导向作用随炮孔与空孔距离L的增大越来越不明显,迎爆侧、背爆侧裂纹扩展速度、应力强度因子值随着L的增大而减小。