动态演化规律,研究爆破裂缝椭圆双线性锥形装药爆破

文摘

基于LS-DYNA数值模拟与实验室检测分析和比较,爆破裂纹椭圆双线性锥形装药的发展动态演化机制进行了分析。岩石裂缝的发展规律和最优径向解耦系数在不同钻孔直径进行了研究。结果显示,椭圆双线性锥形装药的爆破定向裂缝的形成,有一个显著的影响,岩石的最大有效应力接近锥形装药的位置的方向集中的能量约2.3倍nonconcentrated能源的方向。此外,定向爆破形成的裂缝可能与椭圆双线性锥形装药孔直径不同,当主裂纹的长度与径向解耦系数有关。特别是,主裂纹达到最长的径向解耦系数为3.36。

1。介绍

中国已成为规模最大的国家,最大的数字,和世界上最高的隧道施工困难(1]。据统计,到2020年底,中国铁路运营里程已经达到145000公里,其中16798铁路隧道已经投入运营,总长度约为19630公里(2]。除了隧道掘进机,钻探和爆破方法仍广泛应用于岩石隧道施工。控制传统的钻探和爆破方法不当很容易导致工程和社会问题,如振动危害、环境污染、围岩不稳定,严重的塌方和施工,严重限制隧道工程的施工过程(3]。

为了解决上述问题,定向断裂控制爆破技术是目前常用的。许多学者进行了深入研究岩石破坏机理和定向断裂定向断裂控制爆破的效果。例如,曹et al。4)结合模型试验和数值模拟方法研究不同爆破下空洞对裂纹扩展的影响,全面分析了断裂能量和裂纹扩展之间的关系。杨et al。5- - - - - -8)采用了数字激光动态焦散线测试系统研究不同切削角的影响,深度,初始应力场,以及其他因素对裂纹扩展的开槽筒爆破,然后分析了裂纹扩展机理和渗透。悦et al。9- - - - - -12)使用了一种新的数字激光动态焦散线测试系统进行实验研究爆破裂纹开槽筒下爆破的发展,同时获得了裂纹扩展速度,加速度,动态应力强度因子的前端,和法律的动态能量释放率。王(13]探索爆轰和初始裂纹的形成有槽筒爆破解耦系数之间的关系和基于数值模拟爆破损伤。罗等。14,15]做了一个初步研究指导裂缝的形成,裂纹萌生,传播和渗透的形状。2006年,中国水电工程8局有限公司有限公司开发了一个椭圆双线性锥形装药(EBLSC),这在实际工程应用中表现良好16]。李等人。17,18)进一步进行理论分析、数值模拟和实验研究的爆破EBLSC,和研究表明,这个电荷结构具有良好的应用效果和预裂爆破的前景。随后,椭圆双线性锥形装药爆破技术在工程得到了广泛的推广和应用。吴et al。19- - - - - -21)爆破机理进行了初步研究,影响因素,椭圆双线性锥形装药爆破裂纹发展。

为定向控制爆破技术,然而,大部分的研究都集中在有槽筒爆破,而锥形装药爆破裂纹的演化规律研究较少。椭圆的岩石破坏机制双锥形装药爆破开挖还不清楚。摘要岩石破坏机理、裂缝发展的时间和空间法,解耦系数椭圆双线性锥形装药爆破进行了研究。此外,通过分析得到最优解耦系数不同钻孔直径的裂缝发展规律,为实际工程应用提供了重要参考。

2。分析锥形装药爆破的岩石破坏机理

传统爆破的爆轰产品不规则地散布在爆破孔,裂缝也扩大了不规则(22]。锥形装药爆破使用一层衬改变引爆炸药的结构,使产品在一个特定的方向积累和完善具有破坏性的效果在一个特定的方向(23]。

一套能源腔两侧对称位置的形状。爆破所产生的爆轰产品将积累能量的沿轴腔形成一个高密度、高速、高压气流,称为锥形装药射流(24]。聚能装药射流穿透岩石,产生初始引导裂缝,它提供了一种定向效应对随后的爆炸应力波和爆气体进一步扩大裂缝。根据岩石断裂力学,建立了锥形装药爆破动态断裂力学模型,如图1。

在裂纹扩展过程中,裂纹尖端的应力强度因子如下(25]:

其中,P骨折的爆炸性气体的压力;F应力强度因子的修正系数;r_b爆破孔半径;一个是断裂长度;和σ_θ切向应力。

根据断裂力学理论,K₁>K_集成电路裂纹传播进行,K_集成电路代表岩石的断裂韧性。因此,为了确保裂纹继续增长,爆轰气体的压力应符合下列条件:

指导裂纹形状的能量渗透的飞机比另一个更大的小裂缝破碎区。爆破后,大量的高压爆炸性气体将介绍,和爆炸性气体的压力集中能源方向将增加;也就是说,P将会增加;根据能量守恒定律,爆炸性气体nonconcentrated能源方向的影响将减弱,和P将会减少。因此,当锥形装药的结构导致的进化能力的增加裂缝的方向集中能量,它也减少了裂缝的方向进化的能力nonconcentrated能量。

3所示。验证的数值解

3.1。爆炸试验PMMA

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)通常是作为一个理想的测试材料研究PMMA在实验室条件下的裂纹扩展过程。其主要优点是透明度,使裂纹形貌容易被肉眼直接观察到。这种材料的断裂力学行为是类似于脆性岩石(26,27]。的测试结果Rossmanith et al。28)还指出,爆破裂缝可以分为以下三个方面:破碎区,径向微裂纹区,和径向裂纹区域。的裂缝形态增大动载下岩石的非常相似。因此,可以认为,PMMA的爆破试验结果一致与岩石材料,适合探索附近的裂纹萌生机理和传播爆破孔和远场区域。

切(29日)进行了聚能装药的爆破试验与PMMA,其中外锥形装药直径7毫米,内径5毫米,能量收集管是PVC材料制成的,和壳的能量收集管的厚度是1毫米。锥形装药的结构设计如图2。试样的几何尺寸是300毫米×200毫米×100毫米。爆破孔位于中心的标本,和爆破孔的直径是12毫米。PMMA如图的标本3。记录了裂缝发展数字激光动态焦散线测试系统。

测试结果如图4。接下来,数值模拟分析将对爆破进行测试以验证有限元方法的有效性。

3.2。数值模型

使用LS-DYNA非线性动态分析软件进行数值模拟分析,模型的几何尺寸是一样的上述模型试验。添加了一个无反射边界条件来模拟无限平面消除边界反射波的干扰。在数值模型中,材料的爆炸模型特点是MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN,和压强和体积之间的关系描述的炸药爆炸后JWL状态方程。 在哪里p的压力,V是体积,A, B,ω,R₁,R₂基本参数的状态方程,然后呢E最初的内部能量单位体积。爆炸和状态方程参数如表所示1。

PVC MAT_PLASTIC_KINEMATIC能源收集管材料采用模型,和PVC的力学参数如表所示2。

MAT_NULL模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程被用来模拟空气,HJC本构模型用于岩石,添加了故障模式分析裂缝发展。岩石的主要参数如表所示3。

3.3。数值模拟结果的分析

图5在不同的时间显示爆破裂纹的发展。20后爆破腔形成μ爆炸的年代,裂缝的长度方向集中能量明显大于其他方向的裂缝的长度。在80μ年代,微裂隙出现在其他方向,裂缝方向集中精力持续增加。在120μ年代,裂缝的方向能量积累和其他方向持续增加。在600μ年代,裂纹会停下来,集中能源方向的裂纹总是比其他的方向。

相比之下,图4,结果在图5表明,数值模拟完全再现了洞周围的破碎区,裂纹萌生,在集中精力开发过程的方向和其他方向PMMA在锥形装药爆破。最后爆破裂纹的分布是在良好的协议与实验结果,从而证明建立的模型的正确性及其数值解。接下来,数值模型将被用于研究爆破裂纹的演化规律在椭圆双线性锥形装药爆破。

4所示。分析裂纹演化的椭圆双线性锥形装药爆破

4.1。数值计算的几何模型

为了分析爆破裂纹的动态演化规律与不同钻孔直径,准二维计算模型与不同钻孔直径42毫米,50 mm, 60毫米,70毫米,80毫米,90毫米,分别建立了和100毫米。锥形装药是一个椭圆双线性结构、能量收集管是由PVC材料,外壳的能量收集管的厚度是2毫米,衬层的厚度为1.4毫米,和锥形装药槽的角度70°。计算模型如图6,无反射边界条件设置模式。

选择一个测点每10毫米的沿钻孔径向集中能源方向和nonconcentrated方向。集中能源方向编号为# G1∼# G5从近到远,和nonconcentrated能源方向编号为# N1∼#它们从近到远。每个测点的布置如图7。

4.2。分析岩石裂纹发展与钻孔直径42毫米

4.2.1。准备分析初始裂纹的形成

锥形装药后引爆了炮眼,锥形装药的爆轰波作用于覆盖巨大的压力在5μ年代形成高温、高压、高能量的飞机。飞机首先作用于爆破孔壁,形成指导在这个方向上裂纹在岩石上,如图8。其他方向的爆破孔,外壳的锥形装药瞬时缓冲和抑制影响爆轰产品和外壳之间的空气介质的锥形装药爆破孔壁有缓冲效果,大大减少了直接影响和破坏程度的冲击波爆破孔壁,从而抑制裂缝的发展。

4.2.2。压力随时间的变化分析

每个测点的应力随时间的变化曲线如图9和10。

上面的曲线表明,岩石的衰减率峰值等效应力很快在爆破孔的中心向外集中能量和nonconcentrated能源方向。特别是,最大等效应力的方向的电荷是39.25 MPa,最大等效应力的方向nonshaped电荷是17.33 MPa,和最大有效应力的方向集中的能量约2.3倍nonconcentrated能源的方向。结果表明,岩石的渗透的方向集中的方向能量远远大于nonconcentrated能量。

4.2.3。裂纹扩展分析

最初的指导裂缝形成后,炸药爆轰产物填充整个爆破腔,和准静态荷载应用于岩石爆破孔墙上。在准静态加载和应力集中,指导裂缝的顶端形成一个长裂纹和传播。

图11显示的裂缝发展42毫米椭圆双线性锥形装药爆破炮眼。在80μ年代,微裂隙的方向开始出现在集中精力。在120μ年代,两个主要的裂缝和微裂隙保持增长。在300μ年代,裂缝外的方向集中精力往往会停止生长。在600μ年代,所有裂缝往往会停止生长。裂缝的方向集中精力总是比其他更大的方向。

4.3。分析岩石裂缝发展不同钻孔直径

基于已建立的数值模型,岩石的裂缝发展各种直径50毫米,60毫米,70毫米,80毫米,90毫米,100毫米进行了分析。裂纹发展的结果在图所示12。

结果在图12表明在一个椭圆双线性锥形装药的爆破炮眼直径不同,形成的两个主要的裂缝左右集中能源方向,和随机二次裂纹也形成于其他方向。爆破孔直径的增加,主裂纹的长度先增加然后减少,表明存在一个最优爆破孔直径。

4.4。分析径向解耦系数

径向解耦系数变化与钻孔直径的变化。主裂纹长度不同的爆破炮眼直径表所示4。

主裂纹的长度之间的曲线拟合和爆破孔的直径图所示13。爆破孔直径之间的相关系数和左和右主裂缝的长度达到0.98以上。最好的炮眼直径是82毫米。

此外,等效电荷椭圆双线性锥形装药爆破的直径24.4毫米在此基础上建立了数值模拟模型,因此最好的径向解耦系数计算是3.36。

5。结论

(1)下椭圆双线性锥形装药爆破岩石的破坏能力渗透方向集中的能量远远大于在nonconcentrated能源方向。的最大有效应力岩石封闭锥形装药能量集中的方向的位置是2.3倍的方向nonconcentrated能量。(2)椭圆双线性锥形装药爆破下,左、右主裂缝可以形成集中能源方向不同的孔直径,就可以形成和随机二次裂缝在其他方向。(3)之间存在一定的关系主要裂缝的长度和爆破孔的直径椭圆双线性锥形装药爆破。曲线拟合表明,主要的裂纹是最长的在爆破孔的直径是82毫米;也就是最好的解耦系数是3.36。

数据可用性

数据支持这项研究的结果可以要求获得相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

作者想表达感谢金融支持中国的国家自然科学基金(51678164和51678164),广西自然科学基金项目(2018 gxnsfda138009),广西科技计划项目(AD18126011)和GDHVPS (2019)。

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