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考虑损伤的光面爆破成缝分析及爆破参数的数值分析研究.pdf

考虑损伤的光面爆破成缝分析及爆破参数的数值分析研究

chenwt
2012-12-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《考虑损伤的光面爆破成缝分析及爆破参数的数值分析研究pdf》,可适用于经济金融领域

武汉理工大学硕士学位论文考虑损伤的光面爆破成缝分析及爆破参数的数值分析研究姓名:张惠聚申请学位级别:硕士专业:采矿工程指导教师:王玉杰摘要光面爆破技术是生产实践中发展较成熟的一项爆破技术采用该法爆破的特点是开挖面光滑平整围岩稳定性受爆破扰动而下降的程度较低从而可提高爆破旋工的质量实现更安全、经济和科学的爆破开挖。目前在光面爆破设计与施工中均末考虑主爆孔先爆造成光爆层岩石损伤对光面爆破参数的影响。在高强度岩石中由于这种损伤的影响不明显尚能获得较好的光面爆破效果:然而在低强度岩石中却难以获得较好的光面爆破效果。事实上在低强度岩石中光面爆破的效果往往较差出现爆破超挖。原因主要是:主爆孔爆破对光爆层岩石造成较大程度的损伤使岩石的力学性质参数发生较大变化而光面爆破设计与施工中未考虑这种损伤效应结果造成单孔装药量偏大岩石受到过度破坏出现超挖。运用断裂力学和损伤力学方法对光面爆破的成缝机理进行了理论分析推导出了的考虑主爆孔爆破对光爆层损伤后岩石的光面爆破参数。数值模拟技术作为一种对现实世界研究的有力手段已在深入认识岩石爆破现象及产生机理、提高爆破理论研究水平、指导工程设计和工程实践方面发挥出了重大的作用。应用动力有限元分析软件ANSYS/LSDYNA结合工程实际对损伤参数的各种计算方法进行了比较采用试验方法研究了岩石爆Ij{f、爆后力学参数的变化确定了损伤参数的量化值。将爆炸荷载简化为三角形荷载岩体按弹塑性体考虑模型简化为二维平面问题。对不考虑损伤的光面爆破过程和考虑损伤的光面爆破过程进行了数值模拟并对考虑损伤时不同的光爆孔距和抵抗线进行了模拟比较各模型中不同的有效应力后。得出:在保持孔壁爆炸压力、炮孔直径、抵抗线不变的条件下考虑损伤影响时可加大光面爆破的炮孔间距。且对炮孔间距不应大于j.倍的炮孔直径:在保持孔壁爆炸压力、炮孔直径、孔距不变的条件下考虑损伤影响时可加大光面爆破的抵抗线且抵抗线不应大于倍的炮孔直径。根据模拟结果进行参数调整实际工程中取光爆孑L间距为倍炮孔直径抵抗线取倍的炮孔直径取得了较好的效果说明了采用数值分析方法研究爆破参数的可行性。关键词:光面爆破损伤数值分析爆破参数AbstractSmoothBlastingisarelativesucceedtechnologyofblastinginpracticesthistechnology’scharacteristicisthattheexcavatesurfaceissmoothandlevelblastingvibrationofwallrockisrelativelylowandthestabilityismorehighadoptthistechnologywecanimprovethequalityofblastingrealizemoresecurityeconomyandscientificexcavating.Atpresentinthedesignandconstructionofsmoothblastingconsideringfewinfluencethatmainblasthole’firstblastdamagetomckofsmoothblastingparameters.InhighstrengthmGkbecausetheinfluenceofdamageobvioustocanobtainbeuerresultofsmoothblastinghowever’inthelowintensityrockitisdifficulttoobtainbetterresultofsmoothblasting.Infacttheresultthatthesmoothblastingisoftenrelativelybadinthelowintensityrockexceeddigging.Themainreasonis:Themainblasthole’firstblastdamagetorockofsmoothblastingishighlymakemechanicsnatureparameterofrocktakeplaceheavychange.butindesignandconstructionthedamageisfewconsideLtheconsequenceissinglehole’chargequantityexcessivetherockisdestroyedoverlyandexceededdug.Crackmechanismofsmoothblastingisanalyzedintheoryusingfracturemechanicsanddamagemechanicsmethoddeducttheparametersofsmoothblastingconsideringthemainblasthole’firstblastdamagetorockofsmoothblastingNumericalsimulationtechnologyisasakindofeffectivemeanstostudyaboutrealworldalreadygivenlargelyfunctiontogodeepintoknowingrockblastingphenomenonandproducemechanismimprovingtheoreticalresearchlevelinstructingengineeringdesignandprojectpractice.UsingthedynamicfiniteelementprogramANSYS/LSDYNAcombineprojectreality。hascomparedvariouskindsofcomputingtechnologiesofdamageparameter,thedifferentmechanicsparametersofrockbeforeblastingandafterblastingisstudiedbyadoptingthetestmethodthedamageparameterofquantizationisconfirmedExplosionpressureissimplifiedasthetriangleloading,therockbodyisconsideredastheelasticplasticbodymodelsimplifyforDissuebynumericalsimulationforrocksmoothblastingtakeaccountofdamageandtakenoaccountofdamageandnumericalsimulationforrocksmoothblastingtakeaccountofdama窖'eindifferentsmoothblastingspacinganddifferentburdenaftercomparingtheeffectivestressineachmodel.Todraw:Inkeepingholeexplodepressureboreholediameter,burdennochangeconsideringdamagethespacingofboreholeshouldincreaseinsmoothblastingandnotbegreaterthan.timesofboreholediameterInkeepingholeexplodepressureboreholediameter,spacingnochangeconsideringdamagetheburdenofboreholeshouldincreaseinsmoothblastingandnotbegreaterthantimesofboreholediameter.Afteradjustingparameteraccordingtonumericalsimulmionresultthespacingequaltotimessmoothblastingboreholediameter,theburdenequaltotimessmoothblastingboreholediameter,obtainthegoodresultinprojectitisprovedthefeasibilityofadoptingthenLlmericalanalysismethodtostudytheblastingparameters.Keywords:SmoothblastingDamageNumericalanalysisBlastingparameters武汉理:大学硕士学位论文第一章引言.选爱的依据和意义光面爆破就是先爆破主体开挖部位的岩石形成有效的临空面然后再用布置在轮廓线上的炮孔将僬为保护层的“光爆层”炸除形成一个平整的开挖面。采用该法爆破的特点是开挖面光滑平整围岩稳定性受爆破扰动而下降的程度较低IlJ从而提高爆破施工的质量实现更安全、经济和科学的爆破开挖。光面爆破技术是一项在生产实践中发展较成熟的一项爆破技术国内外的高校和科研部门对光面爆破机理及施工工艺方面傲了大量的工程实践和理论研究并取得了很大的进展。但在光爆参数的理论分析和计算方面还很少考虑主爆孔的爆炸对光爆层损伤的影响因而使设计出的爆破参数不尽合理。目前国家正在加大对交通、水电、矿山等基础行业的投入力度这些行业中存在大量的爆破工程而许多工程都要以光面爆破和预裂爆破技术为关键技术。因此有必要对考虑损伤的光面爆破机理及相关参数做深入的研究为光面爆破提供有益的设计依据以加快岩体工程建设速度降低成本提高质量从而获得更好的经济和社会效益。..光面爆破研究现状概述上世纪年代初瑞典的哈格卓普(Hagthorpe)、达尔媾格(Dahlborg)、基尔斯特罗姆(Kihlstrom)伦得博格(Lundborg)与兰基弗斯(Langefors)等人首次进行了“光面爆破”。以后在美国由荷姆斯(Holmes)对这一技术作了进一步的发展。近二、三十年来随着科学技术的不断发展借助于高速摄影、动光弹、轻气炮等手段通过模拟实验并借助先进的理论和方法岩石爆破成缝机理的研究取得了较多的成果并建立了许多岩石爆破成缝模型。关于光面爆破的成缝机理当前比较普遍的观点有。】:应力波的波峰干扰理论爆生气体静压力作用理论共同作用理论。应力波的波峰干扰理论:美国的杜沃尔(W·lDuvoii)和帕尼(BS·Parie)于年提出相邻炮孔间应力波相互干扰的理论。该理论认为相邻两孔同时起武汉理:f:人学硕十学位论文爆其应力波于两孔中间相遇并相互干扰在径向产生压应力而切向产生拉应力。如果切向拉应力大予岩石的抗拉强度两孔间岩石开裂。在应力波相遇处应力叠加承受二倍单孔的拉应力则二孔中间的岩石被首先拉开并向二炮孔方向延展最后形成贯通裂缝。.爆生气体静压力作用理论:瑞典的兰格福尔斯(uLanglfors)认为爆生气体静压力作用对实现光爆的影响是主要的相邻两炮孔在爆生气体共同作用F使岩体向自由露方向移动。当炮孔间距很小时岩体整体向自由面移动且不致变形。并认为岩石的内部剪应力和拉应力都很小只在连接线上因应力集中而产生较大的拉应力。炮孔同时起爆时也可能获得光滑的岩面若是逐个起爆则岩面会凸凹不平。共同作用理论:该理论认为:当相邻的两孔同时起爆后不仅两孔周围各自形成一个应力波而且在炮孔之间连心面上应力波发生叠加形成应力加强带。当岩石介质所受到的切向拉力大于岩石的极限抗拉强度时沿两孔连心面上形成裂缝爆生气体继而楔入这些裂缝使裂缝加大、贯通。从而实现光面爆破。众所周知岩石作为一种长期地质作用的产物不可避免地含有标志其受载历史及效应的许多宏观或细观的缺陷(或称损伤)因此许多中外学者把损伤力学理论引入到岩石力学的研究中他们把岩体中的节理、裂隙看作存在与岩体介质中的一个初始损伤通过损伤张量来描述岩体性能的劣优。从宏观和细观方面来研究爆破成缝机理。如庙延钢【从微观角度分析了预裂爆破成缝机理杨小林、王树仁研究了岩石爆破损伤断裂的细观机理I刀高文学也研究了非均质含裂隙岩体光面、预裂爆破成缝机理。基于上述理论和研究结果当前在光面爆破参数的计算选取方面存在众多的计算公式。但这些公式有的纯粹是经验公式。有的也只考虑岩体原始损伤的影响却很少考虑光面爆破时主爆孔爆破对光爆层引起的损伤而在爆破施工中一般是周边眼最后起爆当周边眼爆破时光爆层岩石已受到崩落眼爆破作用的损伤因此周边光爆实际上是在损伤岩石中进行的。岩石损伤后其力学性质参数要发生改变而且岩石损伤前的强度越低在相同爆炸载荷作用下的损伤程度越大力学性质参数改变越多。因此现有的光爆参数计算公式就显的有点不太适合使公式的推广‘受到了限制。运用数值模拟方法对考虑损伤的光面爆破过程和不考虑损伤的光面爆破过程分别进行模拟对比可对光面武汉理工大学硕士学位论文爆破提供较可靠的设计依据诫少爆破对保留岩体的损伤。。数值模拟方法在爆破工程中的运用概述数值模拟方法是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁。它通过采用接近实际的数学物理模型对材料的动态破坏现象进行数值模拟以展示岩石爆破整个作用过程及其效应从而有助于深入认识岩石爆破、冲击破坏的机理同时数值计算结果的可靠性又可通过实验研究得到验证。岩石爆破计算模型包括两类模型即经验模型和理论模型。前者是建立在经验公式的基础上适用于处理一定范围内的具体工程设计和参数优化问题后者是建立在爆破机理基础上的普遍使用于各种爆破计算和分析的模型。回顾岩石爆破理论模型及数值计算’.‘研究的发展历程可将其分为弹性阶段、断裂阶段和损伤阶段三部分Iql。..弹性理论阶段关于岩石爆破理论的研究可以追溯到上世纪年代。具有代表性的Harries模型和Favreau模型都是将岩石视为均质弹性体处理的。Harriesi”i模型认为作用于孔壁上的爆生气体压力产生的切向拉应变是形成裂纹的主要原因并以应变值的大小决定径向裂纹个数用MonteCarlo法确定爆破裂缝分割的破碎块度。Favreau模型充分考虑了压缩应力波及其在各个自由面的反射拉伸波和爆生气体膨胀压力的联合作用效果最终以岩石动态抗拉强度作为破坏判据。..断曩理论阶段随着断裂力学的发展和岩石断裂理论研究的深入岩石中裂纹扩展及断裂破坏问题也渗入了爆破理论研究领域。在这方面有代表性的爆破模型主要有BCM模型和NAG.FRAG模型。NAGFRAG模型以应力波使岩石中原有裂纹激活而形成裂缝为主同时也考虑了爆生气体压力引起的裂缝进一步扩展。该模型认为爆炸作用下岩石破坏范围及破坏程度取决于受应力波作用激活的裂纹数囊和裂纹的扩展速度。使用裂纹扩展I临界力盯。作为开裂判据武汉理J:大学硕学位论文%=K/c√历F式中R’为临界半径K。为断裂韧性。BCM模型也称层状裂缝岩石爆破模型该模型在Griffith裂缝传播理论基础上建立认为岩石中存在的微缺陷可看作是均匀分布的扁平状裂隙。这些裂隙的稳定性可用能量平衡理论判断:当受法向拉应作用时如果释放的应变能超过建立新表面所需的能量则裂纹扩展当受压应力时裂缝闭合但两裂缝面的摩擦也需要消耗能量并开始用有效弹性模量表示岩石中大量存在的裂缝对应力波传播的影响。..损伤理论阶段岩石爆破损伤模型在上世纪年代初由美国Sandia国家实验室开始研究是针对油页岩开采爆破研究需要推出的数值计算模型。经Kipp和GradyI⋯、Taylort”l、Chen和Kuszmau|等人IO余年的努力最后由ThomeI””进一步修正成为能够模拟脆性岩石动态破碎过程的二维数值模型并在美国油页岩矿爆破实践中进行了现场应用。随着计算机技术的飞速发展和数值计算软件的不断完善数值模拟研究方法已成为爆炸力学问题研究中的一种主要手段并且在岩石爆破理论和技术研究领域取得了令人瞩目的进展:许多计算程序在爆破过程数值模拟中获得成功如有限差分程序SHALE被应用于层状岩体(BcM)爆破过程模拟有限元程序DYNA、PRONTO等被用于岩石损伤爆破模拟。在爆破损伤数值模拟方面有众多学者做了不少探索Il”训:杨小林、王树仁在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上提出了岩石在爆炸应力波作用下的损伤断裂准则并以DYNAD程序为基本框架采用小损伤条件下的解耦方法对大理石在填塞和不填塞装药条件下的损伤历程进行了数值模拟。刘运通、高文学基于建立的岩石动态损伤模型对沟槽深孔微差爆破进行了数值模拟计算结果较好地反映了爆炸荷载作用下岩石的损伤演化规律客观地再现了爆破破岩的物理过程。李萍丰、刘欣荣运用损伤力学研究了爆破区周边岩体的松裂机制建立了武汉理.人学硕十学位论文损伤发展模型并对m宜径的基坑开挖进行了数值模拟计算和设计模拟结果与实际基本吻合。蔡德所、张继春以三峡工程基岩开挖爆破为背景通过定义损伤变量导出其损伤发展方程建立模拟基岩爆破损伤范围的本构模型并将其嵌入SHALE程序中实现了基岩开挖爆破损伤范围的数值模拟。.刘军、王树仁、高全臣建立了各向异性的损伤模型对露天矿单孔台阶爆破中预留岩体在爆炸冲击载荷下的损伤演化特征进行了模拟为岩士工程中经历过冲击扰动作用的岩体的稳定性分析提供了理论依据。郭文章、王树仁等运用多刚体系统动力学及接触冲击理论建立了节理岩体本构模型用计算机模拟了节理岩体的爆破过程量化了节理岩体在爆炸载荷作用下不同时刻的应力场。钟冬望、李寿贵建立了岩石动态损伤模型并将其嵌入到DYNA程序的用户材料予程序中对预裂爆破中不耦合装药条件下的爆破过程进行了数值计算并通过实验对数值模拟结果进行了验证和校核所得结果与理论分析基本吻合。杨军等也用数值模拟方法对岩石的爆破损伤破坏过程进行了研究分析了损伤岩石的爆破作用规律为进一步的爆破机理研究探索和参数优化研究提供了理论依据。但上述研究一般考虑的是爆破对岩石的损伤和损伤发展历程很少有学者考虑主爆孔先爆对光爆层岩石的影响因而有必要在这方面进行深入研究。.研究内容和方法..考虑损伤的光面■破成缱过程的数值棱挂研究本文就半无限体中考虑损伤的光面爆破的爆炸应力场进行研究。研究方法是采用动力有限元法运用ANSYS/LSDYNA来进行数值模拟并运用断裂力学和损伤力学来分析考虑损伤的光面爆破成缝过程。..考虑损伤的光面■破羞千设计参数的数值分析光面爆破的设计参数很多有最小抵抗线、孔径、孔距、光爆层厚度、孑L深、单耗、不耦合系数、堵塞长度等。限于时间和能力本文只对光面爆破的孔距和抵抗线从考虑损伤的光面爆破有效应力场和不考虑损伤的光面爆破有效应力场的变化来验证判断。研究方法是采用动力有限元方法进行数值分析。S武汉理T大学硕士学位论文第二章光面爆破成缝分析及爆破参数确定目前的爆破作业多采用控制爆破以有效降低对岩土体的进一步损伤充分发挥岩土体的自撑能力减少后期围岩支护费用并提高支护结构的稳定性与安全性。但岩土体的损伤(初始的和后天的)对控制爆破成缝效果有决定性的影响研究表明:损伤裂隙的存在将直接影响断裂裂纹的扩展使其偏离预裂控制方向同时由于爆破气体泄入弱面既影响对成缝的贡献也会引起炮孔压力的下降最终难以形成理想的断裂裂缝。同时应力波通过损伤裂隙界面时由于相临介质的波阻抗相差较大透射裂隙的应力波幅发生突变造成裂隙两侧的爆破效果相差迥异这也是最终难以形成理想的断裂裂缝的重要原因。所以正确认识光面爆破的成缝机理对光面爆破的有关参数设计则有着极为重要的意义。.光面爆破成缝机理光面爆破的实质就是要在主炮孔爆破后沿光面孔连线方向形成一条贯通裂缝以使爆后的开挖面光滑、平整。有关爆破裂缝形成机理目前说法不一一般认为是爆炸应力波与爆炸气体联合作用的结果。光面孔爆破时其损伤断裂过程包含有爆炸应力波的作用和爆炸气体的准静态压力作用两个阶段爆炸应力波首先在孔壁形成一些初始的径向和环向裂纹爆破时忽略自由面对岩体内应力分布的影响一旦炮孔内装药爆炸(相邻两孔同时或虽不同时但时差很小(<O.ms)爆炸)相邻炮孔的存在改变了炮孔边缘附近的环向应力处布在炮孔连线方向产生应力集中当集中拉应力大于岩体动态抗拉强度时则在炮孔连线方向上首先产生裂纹且发展很快。同时在爆炸气体压力作用下由于这一发展很快的径向裂纹的扩展所需的能量最小故该处的裂隙将首先得到扩展。因此相邻炮孔连心线方向就成了裂纹继续扩展的最优方向而其他方向的裂纹发展较为微小。孔内爆生气体因膨胀形成的气楔挤入孔壁的初始径向裂纹产生“气刃效应”作用使裂纹进~步扩展同时由于前面的爆炸应力波的损伤作用受损的岩体还可能在准静态应力场和原岩应力场的共同作用下再发生二次裂纹扩展其断裂过程如图所示。武汉理l一大学硕学位论文.孔壁初始压力根据凝聚炸药的C.J理论炸药爆炸时爆炸气体初始平均压力l:%:黑壁(一)“(k、g⋯式中:n为爆轰气体初始平均篮力(姆七m勺k为炸药的绝对等熵指数(由炸药的类型确定)P为炸药的密度(g七m)g一重力加速度(眺)D为炸药的爆速(m/s)。√o一糕:渊⋯一\⋯图.岩石断裂过程工程爆破中常用混合炸药其爆压随着爆炸气体的膨胀而下降。因此在计算作用于炮孔孔壁上的爆炸气体压力时可将膨胀过程按临界压力分段考虑。忽略爆生气体的粘滞性并把爆生气体当作多方气体则该气体的状态方程为】【:P=A∥当P>一Px时=肛:{.或PV“const当P<昧时=.()式中:A为与炸药性质有关的常数尸、r、P为爆轰产物的压强、体积和密度:k为炸药的绝对等熵指数(由炸药的类型确定)为气体的绝热膨胀指数淼炸药的临界压力可取MPa。对柱状不偶合装药设爆炸气体膨胀至炮孔孔壁的压力为尸P对应于Pr段、n时的气体体积分别为n、‰、¨根据()式有:Pcv(rPxV()中◇竺一武汉理T大学硕士学位论文PH=ApR=Ap:由()、()、(.)知()()苦。苦.嚣学c熹icz删贝|j:肛%(告)霄p)^’"州青p)^【r≯哦(熹):.∽∥玎∽)式甲:%为炸约佯积∥r为炮扎体积rl为装药半侄rh为煅扎半柃k为小耦台系数p。为炸药密度P。为爆轰气体到临界压力时的密度。假设冲击波冲击孔壁岩石为弹性碰撞忽略初始压力则由声学公式近似求解孔壁压力为:只箍只∽趵即己。轰凡(熹丸“广∽)式中:z。为孔壁处入射波冲击阻抗Z。为岩石冲击阻抗均可由冲击波基本方程求得。.裂纹的起裂..裂缝的起夏方位岩石中存在肉眼不易观察到的微观裂缝这是由Grimth从实验证明故称Griffith裂缝它导致裂缝成核。Griffith裂缝存在于微小单元内破坏了粒子问的内力平衡粒予间距离增大相互作用力减小处于微弱的吸引状态并使邻近粒子受到影响当外力作用这一单元时微观的Griffith裂缝发展成为裂缝核或裂缝’“’J。Griffith裂缝在炮孔壁和空孔壁面均匀分布有长有短形态各异。这些裂缝在应力场作用下各自发育程度不~扩展方向也有所不同。在压应力、拉应力或剪应力的作用下有的裂缝闭合有的裂缝扩张闭合过头导致裂缝向武汉理r.大学硕士学位论文其它方向偏转:扩张过渡引起岩石开裂现象发生。冲击波头的峰值最初瞬问波及到某一微小单元引起微小单元的体积缩小。因三向受压导致部分裂缝闭合一旦峰值过后将有拉应力作尉在微单元的切向又使裂缝张开。在两孔应力场未相遇之间各炮孔的起爆仅在各自孔壁上产生不定向和不定量的裂缝由于相邻炮孔的存在改变了炮孔边缘附近的环向应力分布在炮孔连线方向产生应力集中当集中拉应力大于岩体动态抗拉强度时则在炮孔连线方向上首先产生裂纹且发展很快。假定起始裂缝在炮孔连心线上则孔壁始裂缝与冲击压力P产生的迭加应力场盯的作用可以分为两种情况见图。ooL)炮孔连心线三三}一riff{th裂缝起始【IOIif’ilh裂缝图.炮孔连心线上起始裂缝分布状态在(a)图中的起始裂缝与炮孔连心线平行并与两孔之间的主应力场o。垂直这种情况直观上可肯定起始裂缝在发育、生长方向与炮孔连心线一致用应力强度因予表示裂缝的发展状态为:Kl=m届Pn届dL式中:P为爆生气体压力m、n为形状系数(与裂缝大小、位置等有关)随着裂缝长度a的增长当置达到岩石的断裂韧度置"时则孔壁裂缝迅速发展。假定起始裂缝在发育过程中偏离原始断裂面或炮孔连心线按照力学断裂准则:使断裂系统总能量减少最快的方向是裂缝发展方向。所以问题转化为寻找机械能释放率G的极大值方向觅图':^^。f浔执‘.一.、武汉理上人学顿士学位论文Ⅵ麓≤澎⋯蚴'在l型裂缝尖端场应力分量为:叮Ⅱ盯w盯t。K√矿cos旦fhj。旦sin塑l。。。旦f】。in旦。i。丝l.p口()式中为裂纹面扩展方向与开裂面方向的夹角。在裂缝偏离原始断裂面后可以把偏离增量扩展看成原来裂缝过场的一个重新起始的过程所以将上述公式绕线示意图z轴旋转一个角得偏离裂缝尖端场的应力分量为:K口K:(口)盯办%赢COS了右‰:坠:COS一:"l:rejsin:錾篁㈦⋯巾面i了孝‘’五(p)、Ⅳj(口)分别为l、I』型变换应力强度与K、K具有相同的物理意义。此系统机械能G(疗)为:G(日)=墨:!!竺g二坐.E对G(口)求导得丝堕!二盟(制)EG’c口=!竺:攀卜cc。s罢sin罢c。s罢sin罢武汉理:人学硕士学位论文I、.I一、~~偏离裂缝二|j一耋。《≮、嘣’二二:誓匕i≯~最磊纛茅一i一短趣连誓残k、l一、矿原始断裂面‘j甩理《:一矾。/÷j‘。∞图斜交裂缝偏向炮孔连心线示意图令G’(护)=得:=±Ⅱ、为极值点其中当=时G(口)为极大值。所以机械能G(O)按照=O方向释放顸裂平面沿着=扩展。由此可以看出裂纹沿炮孔连心线生长、发育是可能的。在(b)图中孔壁上的起始裂缝与炮孔连线斜交但光面爆破却是使此裂缝的生长方向与炮孔连线平行可见迭加应力a控制着裂缝的发育过程见图。在最初炮孔压力P作用下斜交起始后沿其原始断裂面扩展其应力强度因子KJ=m√石口P()随后两炮孔产生的迭加主应力"作用此裂缝使断裂应力强度因子发生变化。以三轴对应平行于炮孔连心线为旧坐标绕Oz轴反向旋转lr角的为新坐标则与炮孔连心线不平行的裂缝面上的应力强度因子为:K=盯.√加COS妒KⅣ=盯^√册siny·cos()同理求出能量释放率的最大值。G(加叠掣(c。st妒“n∥.cos:y)(¨)对G(缈)求导并令G’(妒)=O当∥=O时G(∥)有极值其中G()是最大值武汉理T大学硕士学位论文预发展裂缝炮扎连心线等价线状裂缝炮孔盯口£图起始裂缝不在炮孔连心线上所以。起始裂缝最终在oL作用下.朝着裂缝连心线上发展。假定起始裂缝不在炮孔连心线上那么在两孔应力场未迭加前它会沿缝伸延线上发展见上图(左)但应力场迭加后裂缝等价到线状裂缝见上图(右)则裂缝的方向也会偏向炮孔连心线。综上所述光面爆破的开裂方位为炮孔连心线方向。..囊纹的起疆根据岩石断裂力学理论当裂缝端部应力强度因子(K)大于岩石断裂韧性(K。)时即开始起裂反之则止裂‘”。”。如图所示的断裂力学模型裂纹扩展过程中其尖端处的应力强度因子为:x=m√∞Pn√∞d.由于残余切向拉应力o远小于爆生气体压力P故可忽略其影响则K.=m√MP(在本模型中为raor为炮孔半径a为裂纹长度)。即起裂前裂纹尖端处的应力强度因子为:上≯、I{l。。O日{raokJ图孔壁裂纹的断裂力学模型KJD=Rm√月(Ⅱo)()式中:K。表示动载平面应变断裂韧性其起裂务件为:缝裂秽A√^fo武汉理上大学硕十学位论文p丽KID(一)考虑到岩石的动态损伤故岩石爆破断裂时其起裂判据为:足j≥Km()式中K为岩石有效应力强度因子船.脚m“.矿由于足=≠%>K(式中D为岩石拉伸损伤)因此存在以下情况:Ki‘Km‘‘若按纯断裂理论由K<K。将得出裂纹不能起裂的错误结论这与实际情况不符。此时应根据损伤断裂理论K。<K时裂纹即考虑损伤后炮孔内压力可以比以往理论预测值更低的情况下使裂纹起裂。。..曩纹的扩晨与止裂在岩体开裂后爆生气体尚未楔入时裂缝起始扩展的判据为:K=mP扛丽≥K。()考虑岩体损伤后引入有效应力强度因子K。把足j=怎代入()式得裂缝起始扩展判椐:砰=啬丽巩()y图.爆生气体驱动裂纹扩展模型在应力波的作用下孔壁周围首先形成裂纹随着爆生气体的楔入裂纹将不断扩展爆生气体驱动裂缝扩展模型如上图。在工程计算上径向裂纹武汉理I‘大学硕七学位论文的初始长度常取为倍炮孔半径rb即Lo=rb当裂纹长度远大于炮孔尺寸时。炮孔本身可作为裂纹的一部分。若沿裂纹长度方向爆生气体的压强分布为p(x)垂直于裂纹面方向的远场应力为盯。则在此模型下的裂纹尖端的有效应力强度因子为Ⅲ、’捌:耻高t半计“赢哦∽)式中:L(f)为裂纹扩展长度£.()为爆生气体在裂纹中的贯入长度。如矿(r)、vat)分别表示裂纹尖端的扩展速度和贯入到裂纹中爆生气体最前端的膨胀速度则有:L(f)=f■(f)硪厶(f)=f屹(f)础()()若岩石的止裂韧度为K。则当足>K。时裂纹能稳定传播。若笺}>o表明裂纹尖端有效应力强度因子仍在增加一旦满足K》K。则裂纹将再扩展。若等<o或警。≮秘∥则表明裂纹扩展停止。故裂纹的扩展判据为:Kj珉或等>oK毯。∽)相反裂纹的I匕裂判据为:冰删等>o’取b.考虑损伤的光面■破参数确定()周边控制爆破一般在岩体主爆孔爆破后进行主爆孔爆破⋯方面破坏主体岩石另一方面也对光爆层岩不及爆破开挖后的围岩体造成损伤。因此周边控制爆破实际上是在损伤岩体中进行的。岩石损伤后其强度降低有利于形成较长的径向裂纹增大周边眼间距同时损伤也使岩石的弹性模量、弹性波速度和侧向应力系数降低使应力波衰减系数增大I不利于实现较大的周武汉理工人学硕士学位论文边眼间距。..损伤岩石中的爆炸应力波及其作用光面爆破时主爆孔一般在周边光爆眼之前起爆。主爆孔爆破除破坏前方岩石外还将对光爆层岩石及爆破开挖后的围岩体造成擐伤。光爆层岩石损伤后其力学性质参数要发生改变根据损伤理论及有关研究I邺IIoI有:S。=(一D)S。S。=(一D)S(~)()a:jL()∥。=卢(·一萼cJczz。根据Taylor等人关于裂纹密度的假设‘l:中任一点的应力可表示为、、】:cr==z。(毒一l一’cz一。即=亮C∽。∞一yn一。)武汉理j:大学硕士学位论文(D为侧向应力系数(是损伤因子D的函数)。参照文献【】当损伤岩石中的切向拉应力满足:盯月≥(一D)S()时岩石中将产生径向裂纹若:Po≥(一D)S。()则除在岩石中产生径向裂纹外还将在炮孔壁附近形成压碎区。因此在确定光面爆破参数时应当充分考虑崩落爆破对光爆层岩石的损伤。..损伤者夏的光面■t参数与不考虑岩石损伤的情况l孙I样计及岩石的损伤效应后需要确定的光面爆破参数有单孔装药量、炮孔问距和光爆层厚度。损伤岩石中光面爆破的单孔装药量q由式()()计算:妒詈=孝封∽㈤q=冗r:lpq()式中:也为炮孔装药不偶合系数:Po为装药密度v为炸药的爆速行为炸药爆轰产物碰撞炮孔壁时的压力增大系数R=IO:r为炮孔半径:rc为装药半径为炮孔装药长度。由式()~()假定光面爆破的炮孔同时起爆爆炸应力波在炮iL问中点相遇并在式()中取Po=(一D)S导出光面爆破的炮孔间距|副:一I/).!■’删叫.b(”O)(粥lD)S.”}。咄I竿I。∽。∞光爆层厚度V/由炮孔间距决定表示为:W=a/m()式中:m为光僚层炮孔的密集系数m=.~.。..对比与讨论由式()及()可知岩石损伤后抗压强度降低与不考虑损伤的情况相比光爆孔装药应采甩较大的不偶合系数减少单孔装药量。否则将在炮孔壁上形成压碎区对保护岩体造成过度破坏不利于爆破后保护岩体的武汉理j大学硕士学位论文长期稳定并可能造成爆破超挖增加工程的施工和维护费用。在相同的爆炸载荷作用下岩石受爆破损伤前的强度越低主爆孔先爆对光爆层岩石的损伤程度越大因此为保护爆破后围岩的稳定性光爆孔装药不偶合系数Ⅳ应按式()取值。该不偶合系数值较不考虑损伤时的大。当岩石的强度较高时主爆孔先爆对光爆层岩石损伤’的范围减小这种影响变得不明显。目前在光面爆破设计与施工中均未考虑主爆孔先爆造成光爆层岩石损伤对光面爆破参数的影响。在高强度岩石中由于这种损伤的影响不明显尚能获得较好的光面爆破效果然而在低强度岩石中却难以获得较好的光面爆破效果。事实上在低强度岩石中光面爆破的效果往往较差出现爆破超挖。原因主要是:主爆孔爆破对光爆层岩石造成较大程度的损伤使岩石的力学性质参数发生较大变化而光面爆破设计与施工中末考虑这种损伤效应结果造成单孔装药量偏大岩石受到过度破坏出现超挖。根据式()岩石损伤也对光面爆破炮孔间距产生影响而且这种影响是复杂的。为了分析损伤因子对炮孔间距的影响将式()两边取对数并对损伤因子D求导有:lna=pln(b(D)Po,Jln(to)(.)面da=a山Il(D)Db'(D)In粉I陋)由式()有:(D)一商鞫C(){一(一芸。)I由于裂纹密度。随损伤因子D的增大而增大即(c。)’D>得知’(D)<因此祟<侧向应力系数减小。即岩石损伤后其光面爆破炮孔间距应较未“L计入损伤时的减小。而且岩石损伤的程度越大光爆:fLI'B距的减小值应越大。这与工程实践中松软岩石(强度较低)的光爆孔问距小于坚硬岩石(强度较高)的光爆孔间距的做法是一致的。武汉理:I:大学硕士学位论文减小应力波衰减系数增大(由式()。装药量的减少。.本章小结塑:=!了≥o)以及光爆孔aDf一D‘‘⋯一’一()从理论上对光面爆破的成缝机理进行了分析对裂纹的起裂方位、起裂条件、扩展与止裂判据分别进行了论述()讨论了岩石中爆炸应力波衰减规律和岩石爆破的基本规律分析了主爆孔爆破引起光爆层岩石损伤及对光面爆破参数的影响得出了:考虑损伤引起岩石强度、岩石的弹性模量、泊松比和岩石弹性波速度降低等因素后光面爆破炮孔间距应较未计入损伤时的减小。武汉理:人学硕十学位论文.概述第三章数值模拟技术基础对现实世界的研究常采用解析方法或者实验方法而对于大多数的工程技术问题像爆破问题由于物体的几何形状较复杂或者问题的某些特征是非线性的则很少有解析解。这类问题的解决通常有两种途径:一是引入简化假设将方程和边晃条件筒化为能够处理的问题从而得到它在简化状态的解。这种简化只在有限的情况下是可行的因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的解。因此人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上借助于现代科学技术的产物一计算机来获得满足工程要求的数值解这就是第二条途径数值模拟技术数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动之一。目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有:有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法但就其实用性和应用的广泛性而言主要还是有限单元法。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达而未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量(自由度)从而使一个连续的无限自由度问题变成为离散的有限自出度阀题。随着单元数目的增加即减小单元尺寸解的近似程度将不断改进如果单元满足收敛条件近似解将收敛于精确解。有限单元法的基本思想早在()年代初期就有人提出但真正用于工程中则是在电子计算机出现后。“有限单元法”这一名称是年美国的克拉夫(Clough.R.w)在~篇题为“平面应力分析研究的有限单元法”论文中首先使用的。年来有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等从固体力学扩展到流体力学、传热学等领域p⋯。武汉理r大学硕士学位论文.爆破模拟软件近几十年来有限元方法迅速发展已成为解决流体弹塑性计算和爆炸数值模拟问题的一个重要手段。出现了许多模拟软件【”:()年代末美国加利福尼亚大学劳伦斯幅射实验室开发的SOC代码和TENSOR代码。’。()年代美国桑迪亚实验室(Sandia)提出了一维和二维应力波传播的计算机程序WONOY和TDY。()年代美国洛斯~阿拉莫斯实验室(LosAlmos)发展了二维和三维应力波传播的计算机程序一DsHA比和DSHAI.E。()年美国桑迪亚实验室又开发了CAROM计算机程序可以预测岩石的运动规律和爆破的最终形态。()年桑迪亚实验室又与ICl公司共同开发了煤矿台阶爆破包括抛掷爆破的计算机模拟程序DMC(DistillCLModelCode)。()在国内影响最大的还是DYNA程序系列。LSOYNA就是一个显式非线性动力分析通用有限元程序DYNAD(三维)和DYNAD(二维)程序初版是年美国劳伦斯E维莫尔国家实验室(LWFORCeLiYeFmOFeNationalLaboratory)在J..I/a¨qufst主持下研制完成的后经年、年、年、年、年、年版的功能扩充和改进成为国际上著名的非线性动力分析程序。j..Ilallquist从年丌始创建利维莫尔软件技术公司(LivermoreSotltwareTechnologyCorporati(Ⅵ简称LSTC公司)继续发展DYNAD和DYNAD新版本取名LsDYNAD(三维)和LSDYNAD。自年以来LSDYNA程序又有很大进步已经被许多世界著名的航空、航天、汽车、造船和军工大型企业所采用。ANSYS/LSDYNA是ANSYS的高度非线性瞬态动力分析模块由美国ANSYS公司和LSTC公司合作开发。在ANSYS/LSDYNA中ANSYS仅仅为LSDYNA提供前后处理功熊具体求解过程由LSDYNA求解器来完成。后处理既可采用ANSYS的后处理器也可采用LSDY姒自带的LSPOST进行后处理。LSDYNA作为世界上最著名的通用显式动力分析程序能够模拟真是世界的各种复杂问题特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和会属成型等非线性动力冲击问题同时也可以求解传热、流体及流固耦合问题是显式有限元理论武汉理J:大学硕士学位论文和程序的鼻祖。现在LSDYNA已经发展到了Ls~DYNA版并已整合进了ANSYS.以上版本新版程序的单元类型众多(四边形壳单元、三角形壳单元、膜单元、六面体厚壳单元、三维实体单元、梁单元和安全带单元、弹簧阻尼单元等)这些单元采用LagrangIa『l列式增量解法具有大位移、大应变和大转动性能单点积分并用沙漏粘性阻尼以克服零能模式、单元计算速度快节省储存量并且精度良好可以满足各种实体结构和薄壁结构的网格剖分需要。此外还有Eulerian六面体单元、Eulerian边界单元以及AIm(ArhitraryLagrangianEulerian)六面体单元可以用于流体网格划分和构成流体一结构的交界面。LSDYNA版本有近百种金属和非金属材料模型可供选用如弹性、弹塑性、泡沫、玻璃、混凝土、土壤、复合材料、炸药及引爆燃烧、刚性材料及用户自定义材料并可考虑材料失效、损伤、各向异性、粘性等性质。因此ANSYS/LSDYNA是我们模拟爆炸的有力工具。.ANSYS/LSDYNA基本求解过程ANSYS/LSDYNA.将LSDYNA求解器与ANSYS.的前处理PREP和后处理POSTl、POST连接成一体一方面可以充分利用LSDYNA强大的非线性动力分析功能另一方面又可以很好地利用ANSYS完善的前后处理功能来建立有限元模型和观察结果。在ANSYS/LSDYNA.中求解步骤可以归结为‘”J:第一步:前处理()定义单元类型()定义材料属性()建立实体模型()进行有限元网格划分:。()生产PART()定义接触()约束、加载和初始速度定义:()设置求解过程的控制参数:()选择求解过程的控制参数:()生成LSDYNA输入文件(文件后缀名为k)。武汉理f:大学硕士学位论文■第二步:求解由于ANSYS前处理还不支持【。sDYNA程序的全部功能(一些材料模型例如高能炸药引爆燃烧材料模型、自定义材料等材料模型以及二维非反射边界的定义等不能从GUI中直接得到并且一些keyword的具体控制参数不能在ANSYS/LSDYNA直接输入)所以在输入文件.bname.k生成以后要先使用文本编辑软件对输入文件进行编辑添加和修改keyword然后利用ANSYS程序项中LSDYNASolver菜单进行GUI输入也可以在DOS模式下用命令行输入LSDYNA求解器将读取输入文件进行求解。第三步:后处理LSDYNA既可以生成ANSYS结果数据文件(主要包括:.Jobname.db、Jobname.rst、Jobname.hiS、J如name.OUt、Jobname.等)也可以生成I。SI)YNA结果数据文件(主要包括:Jobname.k、ddump、dplot、dhdt等)。对于ANSYS结果数据文件可以使用POSt’l后处理器观察结构的变形和应力应变状态使用POST后处理器绘制时间历程曲线对于LSDYNA结果数据文件可以使用LSPOST进行后处理。ANSYS.中LSPOST位于C:\ProgramFiles>AnsysInc>V>ANSYS>bin>intel下(假设C:为安装盘)。该后处理器功能强大快捷灵活可以方便地对计算结果进行各种动画控制以及应力、应变、压力、温度、速度、加速度、能量和动量等的各种输出与曲线显示。.有限元法基本方程..I动量方程盯.∥=∥(:卜)式中仃为柯西应力为单位质量体积力x为加速度。..质量守恒方程P=Ypo()式中P为当前质量密度风为初始质量密度J为相对体积J={f小F为变形梯度。武汉理I:大学硕十学位论文..能量守恒方程E=烬∈一(pq)Ⅳ(:{)式中矿为现时构形的体积∈为应变率张量q为体积粘性阻力aSi为应力偏量Sij=嘎广(=Pq)·仉p为体积压力p=一j吼。一q。该式用于状态方程和总的能量平衡计算。..边界条件

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