节理岩体的爆破颗粒流离散元模拟研究

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爆破作用过程中会产生巨大能量,因其具有一般机械或者人力所无法替代的优势而成为为工程建设服务的一种重要技术手段。在我国从20世纪50年代起爆破就已成为水电、煤炭、冶金、铁路交通和基础设施建设等工业领域中破碎岩体的主要方法。在实际工程中绝大多数的表层岩石被裂隙、溶洞等软弱结构面分割成节理岩体,节理破坏了岩石的整体性,使其强度降低;节理的存在为爆破能量的过早外逸提供通道,使爆破能量分布不均,从而影响爆破破坏形式。因此,研究节理岩体的爆破破坏机理,分析不同形式的节理对于岩石爆破能量分布及传播的影响,对于选取合理的爆破位置、提高爆炸能量利用率、改善爆破效果,保证施工安全等均有实际意义和重要的理论价值。本文基于以上问题,依托国家自然科学基金(40972189、51038009)和北京市自然科学基金(8111001),以河北赤城县某爆破开挖工程为背景,收集现场岩石参数、典型节理参数及爆破参数等资料,运用LS-DYNA与颗粒流离散元程序PFC相结合的方法,建立节理岩体爆破模型,研究总结不同形式节理对岩体中爆破能量传播及爆破漏斗成型效果的影响。论文的主要研究内容包括以下几点:1.介绍颗粒流离散元程序,通过双轴加载试验总结分析细观参数(接触模型、摩擦系数、粘结强度等)对宏观力学性质的影响规律,为细观参数的选取提供理论依据;运用LS-DYNA软件模拟岩石爆破过程,并选取距药包足够近的单元记录其速度时程曲线,然后将数据转换成PFC可读的文件格式,以便在PFC中实现炸药爆破的模拟;2.结合实际工程岩体参数,并以室内试验曲线为标准,通过不断试算的方法拟合该曲线得到岩体颗粒细观参数,建立节理岩体模型。通过算例分析爆破能量在节理中的传播衰减规律验证模型参数、边界条件、阻尼等设定的有效性;3.建立不同倾角节理的岩体模型,通过对节理两侧颗粒入射波和反射波速度峰值变化的分析,得出节理与药包连线夹角为90o时,节理对爆破能量的衰减作用最小;4.通过对模型中两平行节理间距的改变,总结节理间距比率(节理间距与爆破波波长比值)对爆破能量传播的影响规律,结果显示节理对能量衰减的最大值发生在间距比率δ为1.2的情况中;5.考虑节理与药包相对位置的多样性,建立节理与药包最小抵抗线及其延长线相交、垂直、平行的岩体模型,分析不同工况下爆破漏斗的成型效果。最后,就存在的问题和需要进一步研究的工作进行了简要的讨论。
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