隧道掘进爆破破岩数值模拟及应用研究

为研究隧道掘进多孔毫秒延期爆破条件下的岩体破碎和爆破振动规律,采用完全重启动数值模拟技术和拉格朗日数值算法计算隧道掘进爆破破岩过程,得到了岩体特征点的振动速度,并将数值模拟评估的爆破方案应用于工程实践,数值模拟与工程实践结果比较吻合。结果表明,联合完全重启动数值模拟技术和拉格朗日算法能够模拟隧道破岩的物理力学过程。      

节理岩体爆破破坏过程数值模拟

 针对目前常用的有限元和离散元等数值方法难以客观反映岩体中存在的大量断续节理和在外力作用下岩体破碎及块体运动的不足,提出采用最近新出现的数值方法——数值流形方法以解决目前岩体爆破中存在的上述问题.数值流形方法采用数学网格与物理网格以形成求解流形单元,很容易反映岩体中存在的众多初始节理,本文采用断裂力学准则模拟岩石节理和裂纹扩展,采用DDA中的块体运动学理论模拟块体运动,并通过算例对比分析了完整岩体和节理岩体爆破破坏模式的差异.模拟结果表明,节理存在对岩体爆破破坏模式有着重要影响,且其影响程度与节理的几何分布和物理力学性质有着密切关系.     

爆炸荷载作用下岩体振动特性的 DE-FLAC3D数值模拟方法

针对岩体爆炸数值模拟中爆炸荷载参数与岩体振动阻尼参数等计算参数难以确定的问题,将具有收敛速度快、易于实现和全局寻优能力强等优点的差分进化算法(differential evolution, DE)算法融入三维快速拉格朗日差分法(FLAC3D)岩土工程数值计算程序,提出了爆炸荷载作用下岩体振动特性的 DE-FLAC3D数值模拟方法. 该方法从爆炸荷载参数和岩体振动阻尼参数的随机值出发,以岩体质点振动速度随时间变化过程的数值计算值与现场实测值的误差作为适应度,利用DE算法规则实现爆炸荷载参数和岩体振动阻尼参数耦合模式的合理进化,进而实现计算参数的快速自适应辨识. 龙滩水电站地下厂房爆炸开挖振动试验数值模拟研究结果表明,该方法是可行的,显著提高了岩体爆炸效应数值模拟结果的精度.     

地铁浅埋隧道爆破振动效应试验与数值模拟研究

以新疆乌鲁木齐市地铁1号线东线隧道中营工-小西沟区间段为工程背景,对地铁浅埋隧道爆破振动进行了多次监测试验,发现地铁浅埋隧道地表掌子面前后16 m监测范围内存在空洞效应现象,随着与掌子面距离由小变大,空洞效应现象出现先增强后减弱的趋势直至最后消失;运用LS-DYNA程序,采用拉格朗日算法和完全重启动相结合的方法对地铁浅埋隧道爆破振动进行数值模拟,也得出了地铁浅埋隧道地表掌子面前后存在空洞效应现象的结论,空洞效应现象存在的区域为掌子面两侧10 m范围内,空洞效应现象在掌子面两侧6 m处最为显著.通过将掏槽孔装药一次爆破调整为多分段爆破,减小了掏槽孔单段起爆药量,降低了掏槽孔爆破产生的地表振动效应.      

爆破漏斗鼓包运动模型的构建及验证

为研究爆破漏斗鼓包运动规律,采用动量守恒定律对鼓包运动速度进行理论分析,并通过爆破漏斗模型试验、高速摄影系统、数值分析开展试验研究.研究结果表明,将鼓包运动岩体划分为若干单元,运用动量守恒定理推导出爆破漏斗鼓包速度服从指数模型,整个过程做变速运动;通过高速摄影对爆破漏斗鼓包运动进行记录分析,图像表明鼓包运动过程中,自由面裂隙向四周扩散,使自由面岩体破碎并呈规则的扇形状;在爆生气体推动下,岩体进一步的抬升与破裂,炮孔中心质点做变加速运动;不同时刻下,随自由面炮孔中心为原点的坐标距离增加,鼓包运动呈指数递减,当自由面鼓包完全破裂后,破碎岩体以最大速度做抛掷运动,当抛射角度与水平成45°时,达到最远抛距.      

土石交界隧道爆破开挖数值分析

运用FLAC3D对黑山隧道土石交界段爆破开挖时爆破振动对隧道稳定情况的影响进行了数值分析.采用球面爆破冲击波的方法对爆破开挖进行了数值模拟,根据数值模拟结果提出了安全装药量,最后就其在爆破控制中的应用进行了分析.研究表明隧道爆破开挖过程中,拱顶及两侧拱腰底部发生了明显的应力重分布现象,拱顶土体对爆破振动敏感,易于发生塑性破坏,中部土体也有部分破坏,但并不影响开挖.     

爆破振动对海底隧道覆盖岩石的损伤研究

海底隧道掘进爆破开挖岩石的过程中,爆破振动必然会对隧道覆盖岩石造成损伤和破坏,危及隧道施工安全.阐述了质点峰值振动速度临界值作为爆破围岩损伤的判别标准和作用于炮孔壁上爆炸脉冲荷载计算公式.以青岛胶州湾隧道为背景,采用Abaqus软件,对周边眼爆破振动的覆盖岩石动力响应进行数值模拟,并对计算结果按照最小二乘法进行拟合,得到覆盖岩石质点峰值振动速度衰减公式.按质点峰值振动速度判别标准计算出了周边眼爆破引起的覆盖岩石损伤范围仅为0 358 1 m.研究表明采用低爆速炸药、不耦合间隔装药光面爆破技术, 爆破对海底隧道覆盖岩石损伤范围较小.     

基于LS-DYNA台阶微差爆破最佳延期时间的降振控制

为探究不同延期时间对台阶爆破振动的影响,在总结分析国内外有关研究基础上,运用动力有限元软件LS-DYNA进行台阶微差爆破数值模拟.爆破模型采用双孔柱状耦合装药的0、17、25、42 ms四种不同延期时间起爆方式,模拟过程中在临近爆破台阶的下个台阶面上选取3个监测点,采集4种延期起爆合成速度时间曲线.通过观测曲线发现,当延期时间为25 ms时,合成速度峰值最小、降振最为明显;而坡脚处峰值速度最大,说明出现应力集中现象.同时实地进行单孔爆破测振实验,依据谷峰时速分布特征,对某实测简单振动波进行Gaussian多峰拟合,发现该振动波最小合成速度出现时间点为t=25 ms左右.     

基于结构模态的纵向采空区群爆破动力响应

构建纵向采空区群离散多自由度动力响应模型,提出基于结构模态的空区群爆破动力响应分析方法.针对某金矿工程实例,对该方法进行检验分析.结果表明:该方法计算结果可直观反映采空区群内部岩体的位移与速度响应规律,揭示岩体爆破动力响应特性,与数值模拟结果趋于一致;受内部阻尼作用,岩体作减幅振动,振幅逐渐衰减至0;在爆破荷载施加位置,岩体响应强度最大,随着与爆破作用点之间距离增大,响应强度呈减弱趋势.结构模态分析方法可大幅缩短计算时间、提高计算效率,为岩体的动力响应研究提供了一种新方法.     

爆破地震波引起远场拱坝振动的数值模拟

针对在爆破地震波数值模拟中,存在毫米级网格尺寸将导致模型网格数量巨大而无法计算的问题,采用等效爆破荷载法,避开传统方法中对炮孔形状的模拟,忽略对近场范围内结构的精确模拟,在保证振速峰值精度基础上适当增大网格尺寸,实现对爆破地震波引起处于爆破远场拱坝振动的数值模拟.最终,坝体振速峰值与实测值对比表明,二者符合较好,满足大坝爆破振动安全控制标准,可以作为类似工程爆破振动数值模拟的参考.     

爆破震动对高速路边坡影响的数值模拟

以京秦高速公路某段路堑边坡爆破开挖为例，采用数值模拟的方法分析了爆破震动波在边坡介质中的应力场、位移场、速度场等的分布规律，多方面研究了爆破震动效应对山区高等级公路岩质边坡稳定性的影响，现场振动测试结果验证了数值模拟计算的可靠性。     

隧洞爆破开挖对岩质高边坡产生的振动效应研究

针对金佛山水利工程中水工隧洞爆破对左岸岩质高边坡的不利影响,采用有限元数值模拟手段,研究了隧洞爆破对边坡的振动效应,探讨了振动波的传播及分布规律,查明了边坡内部裂隙对振动波传播的影响,根据应力和振速之间的相关性,提出了该边坡的爆破振速的参考安全阀值。结果表明：金佛山水工隧洞爆破开挖对左岸岩质高边坡的振动影响较小,振速峰值未超过规范所规定阀值;由于隧洞爆破和边坡开挖爆破对边坡的坡面振动效应以及传播方向不同,导致爆破振动波通过边坡内部裂隙的传播规律也不同;根据边坡平台内外侧质点的速度分布,借鉴小湾水电站边坡工程,选取平台内侧岩体作为监测部位,根据应力和振速之间的统计规律,得到了左岸岩质高边坡的爆破振速参考安全阀值。     

研山铁矿露天爆破振动监测及分析

研山铁矿东帮边坡局部围岩风化比较严重,存在顺层层理面和垂直裂隙,在生产爆破等不利因素作用下有明显滑坡失稳可能。为了确保边坡的安全,需要进行爆破振动监测并提出相应的控制措施。通过对监测数据进行分析回归,得到爆破质点峰值振动速度及振动主振频率公式。结合东帮岩体力学性质,采用应力波理论确定东帮边坡临界质点振动速度为17.2 cm/s,安全允许振动速度为5 cm/s;同时给出了安全允许距离与最大同段药量之间的关系,为矿山生产爆破设计提供参考。     

基于ALE算法的隧道开挖爆破振动特性数值分析

基于ANSYS/LS-DYNA软件,分析隧道开挖过程中爆破振动对围岩及初期支护的影响.为了使数值模拟能够真正反映实际情况,采用更精确合理的爆炸数值计算方法:利用软件内置炸药模块和状态方程模拟爆破荷载的作用,并采用ALE算法模拟炸药与岩石之间的接触关系.在ALE算法中,为防止爆炸过程中网格的过分畸变给结果带来不利影响,将炸药定义成流体.分析结果表明:应力、速度均在爆炸发生的极短时间内达到峰值,而后迅速衰减,10ms后达到稳定状态.上台阶爆破在围岩拱顶处产生的水平振速峰值为下台阶爆破的6倍左右,在拱脚位置约为0.88倍;上台阶爆破在围岩拱顶处产生的竖直振速峰值为下台阶爆破的8倍左右.下台阶爆破在围岩拱顶处产生的应力峰值是上台阶爆破的1/5,在拱脚处相差不大;同一位置,初期支护结构质点振速峰值与单元应力峰值均比围岩大.     

城市暗挖隧道爆破地震波传播规律研究

城市暗挖隧道爆破施工引起的地表振动效应是影响地表建(构)筑物安全的重要因素之一。基于数值模拟、实测数据验证和量纲分析方法对不同埋深隧道爆破地震波在邻近地表一定范围内的反射叠加规律和地表振动速度衰减规律进行研究。研究结果表明:城市暗挖隧道爆破产生的地震波在邻近地表一定范围内会出现反射叠加现象,其影响范围随隧道埋深的增加而增大,反射叠加强度随隧道埋深的增加而减弱;论文提出考虑埋深影响的地表振动速度衰减计算公式能更好地反映地表振动速度的衰减规律。研究结果可为地震效应研究和工程施工提供参考。     

基于Goodman单元的顺层边坡爆破动力响应数值模拟

为了研究爆炸荷载作用下顺层边坡岩体的动力响应,采用数值模拟的方法对边坡坡面及岩体内部质点振速、应力场的分布规律进行分析,采用Goodman单元模拟岩体内部软弱结构面.结果表明：边坡台阶处坡形的变化会导致质点振速和应力值波动明显,台阶突出部位"鞭梢效应"显著,但质点振速与应力并非在边坡坡面的同一位置达到峰值,因此将质点峰值振速或应力值作为评价边坡稳定性的单一指标并不合理;岩体内部质点的动力响应规律主要与介质阻尼、结构面以及边坡形状等因素有关,结构面的存在会造成爆炸应力波的反射叠加,质点振速和应力值在结构面之前也有一定程度的放大;边坡自由面对应力波的反射叠加效应不应忽视.     

爆破荷载作用下岩石破坏特性的“共轭键”基近场动力学数值模拟研究

近场动力学是一种基于非局部弹性理论的积分形式的无网格数值方法.本文为克服传统近场动力学模型中的固定泊松比问题,建立了"共轭键"基近场动力学模型,实现了岩石爆破破坏特性的近场动力学数值模拟.通过引入"共轭键"转动角度及建立微观和宏观变形能的等效关系,推导了"共轭键"基近场动力学模型中的法向刚度参数及切向刚度参数与宏观力学参数之间的关系.另外,通过对影响域中每根"键"所储存的能量密度与临界"键"能量密度进行对比,判断近场动力学模型中的"键"是否断裂,从而实现裂纹起裂、扩展及连接过程的数值模拟.三个数值算例说明:该模型能有效地模拟岩石爆破破坏特性.数值算例与试验结果对比表明,本文所提出的数值方法可以预测岩石材料的爆破破坏模式及特性.     

大型复杂多孔塑件注塑模拟关键技术

针对大型复杂多孔零件注射成型模拟中网格模型大、计算耗时和模拟精度低的问题,根据体积相等的原则和多孔特征截面的简化方法,用简单截面的形状因子和等效厚度来替代多孔复杂截面,推导了圆形孔和六边形孔的形状因子和等效厚度的计算公式. 利用推导公式对某汽车后门板注塑成型过程进行数值模拟,大大缩短了计算时间,并准确预测了零件熔接痕和气泡的位置,可应用于具有类似特征产品的注塑工艺模拟.     

关林子隧道下穿既有道路爆破振动影响

在下穿既有道路的新建隧道爆破施工中,爆破振动极易引起上部路面结构的损伤和破坏.以宝汉高速新建下穿316国道的关林子隧道为例,采用有限元法模拟路面关键点峰值振速、路面应力以及路面位移,并结合现场爆破振动与振速监测结果,对比分析爆破振动对既有道路的影响.主要研究结论如下:10个关键点爆破峰值振速均发生在掏槽眼爆破时,既有道路的应力以及路面位移均较小,不足以引起既有道路的破坏;根据数值模拟和现场测试结果,下穿段地表质点振速的合速度峰值不超过0.035 m/s时可保证既有道路安全.