冻结砂岩爆破破岩的能量耗散特性

为探究冻结岩体的冲击力学性能,并提出寒区爆破开挖工程中合理的爆破炸药单耗,针对寒区典型分布的砂岩,采用室内分离式霍普金森压杆试验与理论分析相结合的方法,开展了冻结砂岩冲击力学性能及爆破破岩能量耗散特性研究。结果表明:(1)冻结状态砂岩的动态抗压强度和动态弹性模量相比常温状态整体有所提升,而应变峰值整体有所下降。对比静载与动载试验结果,相同物理参数下,砂岩的抗压强度差距不大,而动态弹性模量明显高于静态弹性模量。(2)常温状态砂岩和冻结状态砂岩试件的耗散能量均随含水率的增大而逐渐减低,且冻结状态砂岩的耗散能量高于常温状态。相比常温状态,冻结砂岩在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时,其耗散能量增幅分别为21.6%、64.9%、80.3%、78.2%、83.3%。(3)相同含水率下,冻结状态砂岩的炸药单耗均高于常温状态,在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时,冻结状态砂岩爆破炸药单耗相比常温状态分别增加20.4%、61.3%、60.0%、55.6%、66.7%。(4)将常温与冻结状态砂岩爆破炸药单耗数值进行拟合,得到不同状态砂岩爆破破岩的单耗修正模型,可为寒区爆破工程提供参考。

爆破作用下层状围岩隧道突变失稳判据研究

为判断爆破振动与损伤作用下层状岩体隧道的围岩稳定性,根据层状围岩失稳特征建立隧道力学模型,考虑爆破损伤和振动效应,构建层状围岩隧道系统总势能方程和突变失稳判据,分析爆破作用下层状围岩稳定性演化规律;并以沪昆高铁湖南段姚家隧道为工程背景,分析层状围岩隧道稳定性。结果表明:层状围岩隧道发生突变失稳的充要条件是满足分岔集方程,即当突变特征值Δ≤0时系统可能发生突变失稳;爆破累积效应造成围岩刚度不断降低,爆破药量增加提高爆破振动效应,这些均导致层状围岩失稳概率增加;实际隧道失稳评价结果与施工现场情况、监测结果一致,验证了失稳判据的有效性。

起爆方式对爆轰波传播特性的影响研究

为探究爆轰波碰撞对爆轰压力分布规律的影响,采用理论推导、数值模拟和现场试验相结合的方法,分析了不同起爆方式下炸药内部和外部爆轰压力的变化规律。研究结果表明:爆轰波发生碰撞后,依次产生正碰撞、斜碰撞及马赫反射现象,最大爆轰压力可达到稳定爆轰压力的3倍以上;采用对称双线性起爆方式时,土体聚能侧所受爆轰压力是起爆侧的2.74倍,轴向所受爆轰压力较单侧线性起爆方式提升了75%。基坑爆破试验结果表明:采用对称双线性起爆方式时,沿爆轰波碰撞聚能方向呈一字型布置起爆,炮孔间的贯通效果相较于单侧线性起爆方式得到了明显提升。

深基坑爆破减振孔作用下围护桩结构减振效应研究

基坑开挖爆破过程中振动荷载易对围护桩结构造成影响,临近围护桩结构预设爆破减振孔是重要控制手段。为评价爆破减振孔作用下围护桩结构的减振效应,以武汉地铁7号线巨龙大道站基坑爆破工程为背景,通过现场振动监测分析获得围护桩结构顶部振动速度;利用LS-DYNA软件建立基坑爆破数值计算模型,在结合现场监测数据验证计算模型及参数可靠性的基础上,采用控制变量法设计减振孔参数组合计算方案,计算分析各参数对减振效应的影响规律;提出围护桩结构稳定性的安全判据,在最优减振孔减振方案下,分析围护桩结构动力响应特征,并实现其现场工程应用检验。研究结果表明:减振孔的减振效应与减振孔的孔径、孔深、孔距和排数都存在相关性,其中减振孔的孔深、孔距和排数对减振效应的影响较大,而减振孔孔径对减振效应的影响较小;围护桩结构爆破振动速度安全判据为26.10 cm/s;以孔径为100 mm、间距为0.2 m、孔深为0.7 m的双排梅花型减振孔为优化设计方案,在此方案下,围护桩上最大振速为25.57 cm/s,小于爆破振速安全判据。

基于ICEEMDAN-多尺度排列熵的拆除爆破振动信号降噪研究

由于工程环境、炸药爆炸等因素影响,实测建(构)筑物爆破拆除所产生的低频振动信号常受到噪声干扰。提出改进的自适应噪声完全集合经验模态分解(improved complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise, ICEEMDAN)与多尺度排列熵联合的降噪算法,并运用皮尔逊系数、信噪比和均方误差来验证所用算法的可行性。对实测拆除爆破塌落触地振动信号进行降噪处理,通过频谱分析以及各类指标对比表明,该联合降噪方法能够有效降低拆除爆破振动信号中的噪声,并且对信号的低频能量影响较小,降噪效果显著,为拆除爆破振动信号分析和处理提供了一种新的有效的方法。

冲击荷载作用下地铁隧道盾构管片破坏特性

为了研究冲击荷载下地铁隧道盾构管片的破坏特性,采用轻气炮试验和动力有限元数值模拟相结合的研究方法,对冲击荷载下盾构管片的破坏情况进行分析,通过分析管片单元的应力状态研究了冲击荷载下盾构管片的破坏机理。结果表明:以冲击位置为中心,盾构管片试件表面径向主要受压,环向主要受拉,相同位置压应变大于拉应变;不同速度子弹冲击下,管片正面冲击坑水平方向及竖直方向尺寸相差不大;随着子弹速度的增加,管片正面冲击坑尺寸不断增大,冲击坑的深度不断增加,冲击坑等效直径增长随子弹冲击速度增加呈“三段式”;沿着子弹冲击方向,盾构管片试件单元应力状态从三向受压变化到三向受拉,盾构管片冲击正面混凝土受压破碎,盾构管片冲击背面发生受拉破坏。研究结果可为管片抗冲击设计提供一定的理论基础。

基于FLACS的砌体住宅楼天然气泄漏爆炸事故模拟研究

针对砌体住宅楼结构特点,以瓦房店市居民楼燃气闪爆事故为研究对象,利用FLACS软件三维建模爆炸楼层,考虑泄漏方向、门窗和隔板等影响,模拟气体的泄漏和爆炸,对比不同泄漏方向下天然气云团的扩散过程和不同时间下爆炸冲击压力的分布。结果表明,垂直向上和水平向屋内两个泄漏方向的不同,对天然气体积分数分布几乎无影响;门厅隔板阻碍扩散,天然气在厨房体积分数较高;爆炸初始,504室爆炸压力急剧升高,压力冲击波经门窗隔板以圆弧形式向外传递;400 s时刻比600 s爆炸压力小;600 s爆炸时刻的压力大于砖墙破坏压力76 kPa,结构发生破坏。研究成果为事故反演、受损结构稳定性评价和事故预防提供理论指导。

不同堵塞条件下硬岩隧道直眼掏槽破岩效果数值模拟研究

为研究不同堵塞材料及堵塞长度对硬岩隧道直眼掏槽爆破效果的影响,依托工程实例,采用ANSYS/LS一DYNA仿真模拟软件建立三维数值模型,对5种不同堵塞条件展开研究。根据数值模型计算结果,对掏槽区域爆破裂纹拓展情况进行了定性分析,对典型部位的岩石受力情况进行了定量分析。结果表明:1)自由面岩石主要受拉应力作用产生裂纹,炮孔堵塞使得爆炸荷载整体作用时间延长,致使自由面上裂纹更加密集;2)位于炸药和堵塞材料之间空气段附近的围岩,先受爆炸应力波作用岩石被压碎,后受力在拉压应力之间多次转化,致使裂纹被放大,结合爆生气体发挥的“气楔”作用,使得裂纹几乎贯穿模型截面;3)炮孔堵塞后炸药段周围岩石受到的爆生气体作用应力值显著提升,比不堵塞时的炸药段周围岩石峰值应力高出1.31~2.34倍,炮孔堵塞使得爆生气体持续稳定发挥作用时的压应力值提高3.70~4.70倍;4)以黏土和水作为堵塞材料时,堵塞长度为40cm的直眼掏槽破岩效果优于堵塞长度为60cm的效果。研究成果可为优化硬岩隧道直眼掏槽爆破参数提供理论基础。

压缩脆性介质爆破破坏时冲击荷载与初始应力卸载特征

针对含压缩应变能脆性介质的爆破破坏机制问题,开展了建筑物底层立柱的现场爆破试验。分析了立柱保留部分的应变变化过程。动应变监测结果表明,炮孔炸药爆轰时,炮孔远区的爆炸荷载时程曲线大致呈三角形折线状,爆炸荷载升压阶段应变率高于卸压阶段;装药长度约20 cm时,爆炸荷载作用时间约为1 ms。爆炸冲击波作用消失后,由于碎块运动速度远低于冲击波和应力波传播速度,起爆后爆破介质的承载能力仍可保持数毫秒时间,此时介质主要受爆生气体膨胀作用,附加动应变较低。介质完全破碎后,碎块以较高的初速度发生抛掷飞散,其承载能力迅速消失,初始应变随之释放至0;应变释放的时程曲线接近于直线形,且卸载的应变率较低。构建了一维直杆的爆炸冲击与初始应力卸载力学模型,通过对直杆加载和卸载过程在时间域上的叠加,近似模拟了压缩立柱爆破时保留区的应变历程。对爆破试验的模拟表明,炸药爆炸作用结束数毫秒时间后初始应力才开始卸载。

露天深孔台阶精细爆破技术研究进展

21世纪以来,随着凿岩设备和爆破器材等新技术的进步与发展,露天爆破开采规模不断扩大,露天深孔台阶爆破技术进入了精细化的新阶段。近年来,露天深孔台阶爆破技术取得了较大的技术突破,创造了显著的社会效益和经济效益。基于精细爆破理念,总结叙述了露天深孔台阶爆破领域内智能爆破设计、露天凿岩设备、数码电子雷管、现场混装炸药、装药结构和起爆网路6个方面的研究进展。研究表明:①研发的智能爆破设计系统的种类较多,需结合生产实践加大推广力度,更好地辅助爆破工程设计;②我国露天凿岩设备的研发、制造能力相对发达国家还有很大的发展空间,需进一步提升凿岩设备自动化、智能化水平;③数码电子雷管和现场混装炸药提升了爆破器材的本质安全性,且有利于改善破岩效果和降低爆破振动;④装药结构和起爆网路是露天深孔台阶精细爆破技术的重要体现,但相关基础理论尚不完善,需加强多学科交叉融合,最终实现炸药能量的精确释放并提升能量利用率。在上述分析的基础上,总结了露天深孔台阶爆破技术的发展现状及存在的主要问题,并探讨了该技术的研究发展方向。

钢筋混凝土烟囱爆破拆除的下坐及早期断裂预测

为分析钢筋混凝土烟囱在爆破拆除时发生下坐与空中断裂现象的机制并对其进行预测,对一高180 m烟囱的下坐和空中断裂过程进行了观测和分析。基于混凝土的压缩全应力-应变曲线特征,分析了烟囱支撑区的破坏过程,构建了烟囱失稳下坐的判别模型。通过建立烟囱下坐冲击作用下爆破切口以上烟囱的动力响应模型,分析了下坐冲击附加动应变波在烟囱中的传播特征。研究结果表明,考虑混凝土全应力-应变曲线特征和支撑区横截面应力和应变分布特征时,倾覆力矩与抵抗力矩的比值f可作为失稳下坐的判别条件之一;烟囱发生下坐的必要条件是支撑区最小残余承载力小于烟囱的重量。烟囱在下坐结束阶段,获得一定初速度的烟囱冲击基础时将产生冲击荷载,并在烟囱中部引起大于底端应变的应变,即产生动应变高程放大效应,该效应是导致烟囱发生早期断裂的主要原因。烟囱越高,下坐冲击历时越短,动应变高程放大效应越显著,发生断裂的风险也越大。随着烟囱高度的增加,烟囱最危险截面的位置也越高:由烟囱中下部移至烟囱中上部。

粉质黏土层预埋承插式混凝土管道对爆破振动的动力响应

为合理评价临近爆破施工振动作用对预埋在粉质黏土层承插式混凝土管道的影响,通过现场预埋多管节全尺寸管道的爆破试验,结合DH5956动态应变及TC-4850爆破振动等测试系统,研究了爆破振动作用下承插式混凝土管道动力响应特征,分析了管道管身及承插口动应变及振动速度空间分布规律;基于承插口允许转角规范及管身动态拉应变破坏准则,提出了承插式混凝土管道爆破振动速度安全判据。研究结果表明:爆破振动作用下管道管身及承插口之间存在不协调响应特征;爆破振动作用下管道承插口为管道最薄弱位置,爆破振动对承插式混凝土管道的影响应重点考虑承插口的失效;承插式混凝土管道爆破振动速度控制阈值为5 cm/s,结果可对类似地层中承插式埋地混凝土管道的保护起指导作用。

高层框剪结构爆破拆除振动监测及分析

为分析高层建(构)筑物爆破拆除时爆破振动和塌落振动的特征及对周边建筑物的影响大小,对某高层框剪结构爆破拆除中的地面振动进行了实际的测量,并对监测点实测数据的爆破与塌落振动速度、卓越频率、持时及反应谱特性进行分析。分析表明:高层建筑物爆破拆除中塌落振动比爆破振动影响更大,频率更低,更容易引起建(构)筑物共振;塌落振动速度的3个方向分量中,竖向分量相较其它两个水平分量更大、衰减更快,爆破振动也存在同样的规律;常用的塌落振动估算公式无法对定向倒塌情况时不同方向上的差异进行合理推测;将各测点的反应谱与设计谱进行了比较,从建筑抗震设计角度说明本次爆破拆除的振动对周边建筑物的影响得到了有效的控制。

爆破地震荷载作用下埋地燃气管道动力响应尺寸效应研究

基于量纲分析理论,分析既定爆破地震作用下影响埋地燃气管道振动速度的物理量,推导得出反映管道尺寸效应的爆破振动速度预测公式。结合全尺度埋地球墨铸铁燃气管道下穿爆破试验,建立简化模型计算分析并通过现场实测数据进行验证。采用已验证模型及参数,考虑武汉地区常见管道类型及埋设条件,分别建立不同管道尺寸(不同管道直径、不同径厚比)的数值模型,研究埋地燃气管道尺寸效应影响下的爆破地震动力响应特征。研究结果表明:在爆破地震波作用下,管道截面峰值合振速(peak particle velocity,PPV)和von Mises应力均出现在迎爆侧;管道单元峰值合振速和von Mises应力随管道直径的增加而减小,随管道径厚比的增大而增大;基于地表控制振速与管道直径存在的对应关系,提出城区常见DN700(公称直径700 mm),DN800,DN900,DN1000,DN1200管道地表控制振速为分别为9.16 cm/s,8.26 cm/s,8.10 cm/s,7.95 cm/s,7.04 cm/s;量纲分析得出管道峰值von Mises应力和管道尺寸之间的公式和允许径厚比对管道的实际生产具有一定的指导意义。

爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力失效机制

基于典型城市燃气管道直埋地层特点,通过全尺寸直埋燃气管道爆破地震实验,并结合LS-DYNA动力有限元数值计算软件建立不同爆源距离的无接口和法兰接口的燃气管道模型,分析研究了爆破地震波作用下法兰接口燃气管道动力响应特征及其失效机制。研究结果表明:管道截面应变以轴向拉伸应变为主,环向应变为辅;不同爆破工况下,无接口管道和法兰接口管道及地表峰值振动速度随爆源距离减小而增大;沿管道轴线方向,无接口管道、地表峰值振动速度以管道中心截面为对称面沿两端不断减小,法兰接口管道峰值振速由两侧向中间逐渐增大,在法兰接口处突然减小;法兰接口处出现明显的应力集中现象;管道法兰接口处是爆破地震作用下研究的关键点,螺栓的峰值有效应力、垫片轴向压力、法兰峰值有效应力、法兰偏转角随爆源距离增大而减小;法兰管道偏转角与地表峰值振动速度具有对应关系,法兰接口燃气管道中心正上方地表的控制振速(13.82 cm/s)可作为邻近燃气管道爆破工程地表的安全控制值。

爆破地震荷载作用下承插式HDPE管道动力失效机制

承插式管道接口更易受到外界荷载破坏导致管道失效,为保证爆破开挖过程中邻近承插式高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)波纹管道的安全运营,控制爆破振动荷载对管道的影响是重点关注内容。通过全尺度预埋单段HDPE波纹管道现场试验,得到管道的振动速度和动应变响应数据,结合LS-DYNA数值模拟软件分别建立了无承插接口管道与含弹性密封圈的承插式HDPE波纹管道;利用现场试验数据验证了无承插口管道模型参数的可靠性,并对比分析了承插式管道的结构位移、振动速度、有效应力的响应规律与失效机制;结合现行规范,根据管道响应规律与接口允许旋转角度计算得到了承插式管道的安全振动速度。研究结果表明:有承插口管道的合振速、合位移和有效应力大于无承插口管道;在同一截面上,有承插口管道迎爆侧的合振速和有效应力更大,而最大合位移出现在截面的背爆侧;管道合位移与合振速在轴线中心处截面最大,并向两端不断减小,有承插口管道中心合位移更大;通过接口允许旋转角度得到此类工况条件下的承插式管道的安全振速为24.77 cm/s。

塌落振动作用下建筑结构动力响应研究及评估

以某工程为研究对象,开展了一系列塌落振动现场监测,进行了塌落振动对周围建筑结构动力影响研究及评估。首先,通过对实时监测的周边测点数据进行分析,研究塌落振动的传播规律;其次,将测点的加速度作为动力荷载加载到有限元模型,讨论框架结构在不同距离振动波作用下的动力响应及其对楼层的影响规律,并将水平和竖向加速度进行倍频程谱分析,获得1/3倍频程;最后,以振动加速度级为基准,进行结构的振动分析及评估。结果表明,塌落振动作用下周边建筑结构动力强度随振动波的距离增大而减小,随着层数的增加,响应呈放大趋势,且竖向振动均大于水平向振动。

九层框架结构拆除爆破切口方式数值模拟对比分析

针对武汉市中自小区楼房爆破中的一栋九层框架结构进行爆破拆除数值模拟分析,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行建模,运用整体式建模对九层框架小高宽比结构采用三角形切口和梯形切口2种切口模式进行对比,3个爆区通过瞬间删除单元模拟爆破拆除柱子,得到框架拆除爆破的爆堆高度、前冲距离、后坐距离。对比分析2种切口形式爆破,小高宽比结构使用梯形切口能够得到更好的模拟结果。数值模拟分析结果与实际工程相吻合,可为类似拆除爆破提供数值模拟参考。

基于粒子群-最小二乘支持向量机模型的矿山爆破振动速度预测

爆破地震危害是矿山开采过程中最为显著的负面效应之一,准确预测质点峰值振动速度(PPV)对于有效预防爆破振动引发的建(构)筑物失稳破坏具有极大的工程实际意义。设计并开展了露天矿山开挖爆破现场监测试验,采用灰色关联分析法对PPV影响因素进行敏感性分析,确定各影响因素之间的主次关系。在此基础上,建立最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型对PPV进行预测,并通过粒子群算法(PSO)局部寻优确定LS-SVM模型中正则化参数和核函数宽度系数的最佳参数组合,最后将PSO-LSSVM模型预测结果与BP神经网络模型、LS-SVM模型及传统萨道夫斯基公式的预测结果进行了对比分析。结果表明:PSO-LSSVM模型对PPV预测的拟合相关系数(R^(2))、均方根误差(RMSE)、平均相对误差(MRE)及纳什系数(NSE)分别为97.38%、2.68%、1.36%和99.98%,PSO-LSSVM模型预测精度更高,且具有更好的泛化能力,用于多因素影响下的矿山爆破PPV预测切实可行。

Key technologies of precision demolition blasting of ultra-long urban viaduct in complicated surroundings

The key technologies of precision blasting were put forward based on the characteristics of urban via- duct blasting demolition in complicated surroundings. Initial bending instability mechanics model of reinforcing steel bar frame of blasting fragmented pier and sequenced collapsed dynamic model were established for quanti- tative blasting design. Technologies of water pressure blasting were applied in multi-cell box girder fragmenta- tion. The detonating network of non-electric duplication crossover was adopted for the safety and reliability of ultra-long delay. The rationality of blasting scheme and parameters were validated by physical model test. Harm- ful effects were forecasted and controlled by integrated protective technologies. Specialization, cooperation, pre- cision, execution （SCPE） project management method was put forward for precision management. The key tech- nologies of precision demolition blasting can provide reference for similar proiects.