爆炸应力波在节理岩体的传播特性及裂纹扩展的数值研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jingyu0722
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由于天然岩体中存在着大量自然形成的节理、裂纹、层理和断层等构造,这些构造导致岩体的力学性质、振动、渗透、能量传递等多种性能发生改变。爆炸应力波在这些含节理、裂隙和断层的岩体中的传播与衰减也随着发生改变,进而影响工程爆破的效果及安全性。节理对工程爆破效果及安全性的影响又与节理的几何参数如节理填充物厚度D、爆源到节理的法向距离R、爆源到节理的竖向距离H和节理倾角θ有关。因此研究不同节理几何参数下爆炸应力波在含节理岩体中的传播规律与裂纹扩展规律对爆炸载荷下含节理岩体结构动力稳定性具有重要意义。以贵州省平罗高速栗木山隧道施工现场的地质力学资料作为基础,本文以节理填充物厚度D、爆源到节理的法向距离R、爆源到节理的竖向距离H和节理倾角θ作为参变量,利用有限元动力软件ANSYS/LS-DYNA构建了研究上述4个节理几何特征的含节理岩体爆炸裂纹扩展模型并分别命名为模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ、模型Ⅳ。用控制变量法分析上述四个节理几何参数对含节理岩体受爆炸载荷的有效应力、振动速度、应变位移量的动力响应影响以及裂纹扩展的影响。其次结合微元体上动量守恒公式与力的平衡公式,推导了爆炸应力波入射至单一线弹性节理的传播公式。并利用纵波与横波在单元体上的能量密度公式,推导了应力波射入单一线性节理的透反射能量公式。并将数值模型的数值解代入到爆炸应力波入射单一线性节理的传播公式和透反射能量公式,求得透反射系数和透反射能量比。用控制变量法分析不同节理几何参数对透反射系数和透反射能量比的影响。最后结合数值计算的数值解与理论公式的解析解,得到了不同节理几何参数下爆炸应力波在含节理岩体的传播规律与裂纹扩展规律。主要研究结论如下:(1)节理填充物厚度D越大,节理近爆侧岩体的破岩效果就越好,节理背爆侧岩体的破岩效果就越差。爆源到节理上任意点的距离越大,节理对岩体的破岩效果影响就越小。当节理位于裂纹区时,节理近爆侧岩体的爆破碎岩效果最强。节理倾角θ越大,节理倾角旋转中心点位置处的岩体裂纹扩展数量就越小。且节理近爆侧径向裂纹和层状裂纹随着节理倾角θ的增大会逐渐向爆源与节理的法线连线方向偏移。(2)随着H/R逐渐增大,反射系数RP在H/R=1时达到最小值,反射系数RS在H/R=1时达到最大值。随着节理倾角θ逐渐增大,反射系数RP在节理倾角θ=45°时达到最小值,反射系数RS在节理倾角θ=45°达到最大值,这与当H/R=1时反射系数RP和RS的变化规律一致。因此在节理倾角θ=45°时切向应力对节理面损伤的影响最大。(3)随着节理填充物厚度D增大,节理面反射的爆炸应力波能量越大,透过节理的能量减小。爆源到节理法向距离R越大,节理反射的爆炸应力波能量越小,透过节理的能量越大,节理对爆炸应力波的反射效应也越小。节理位于压碎区时,爆源到节理的竖向距离H对透射能量比KT和反射能量比KR的影响最大。当节理倾角θ位于[0°,45°),随着节理倾角θ增大,透射能量比KT逐渐减小,反射能量比KR逐渐增大。当节理倾角θ位于[45°,90°),随着节理倾角θ增大,透射能量比KT逐渐增大,反射能量比KR逐渐减小。
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