岩石动态损伤防护试验研究及数值模拟

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本文利用霍普金森杆和一级轻气炮试验研究了保护层材料(PVC—U板)对岩石动态损伤的防护作用,进而为降低控制爆破对围岩的损伤作用提供理论依据。 首先利用杆径为100mm的霍普金森实验装置对Ф90mm×45mm的大理石试件进行了有、无保护层的冲击试验(有保护层指的是在试件的冲击端面粘贴一定厚度的PVC—U板)。试验结果表明:无保护层的试件比有保护层的破坏严重。当保护层从0mm增加到6.24mm时,透射波应变峰值与入射波应变峰值的比值从51.36%下降到37.25%;试件的应力峰值从68.3MPa下降到48.1MPa;试件的透射应力峰值与入射应力峰值的比值从61.08%下降到40%:并且加有保护层后,试件上升沿时间有所延长。 再通过57mm口径的一级轻气炮实验装置对Ф60mm×60mm和Ф60mm×15mm两种尺寸的砂岩、花岗岩和大理石分别进行了有、无保护层的冲击试验。试验获取了不同冲击速度下岩石冲击面上的压力时程曲线。压力结果表明:加有4mm的保护层后,砂岩、花岗岩、大理石的压力峰值相对无保护层时下降了67.7%、37%和64.5%,在大理石试件的冲击试验中,当保护层厚度从0mm增加到4mm,压力峰值从1.49GPa下降到0.53GPa。利用RSM—SY5型声波测试仪测试了部分试件冲击前后的声速,通过冲击前后的声速降低率衡量岩石的损伤度,结采显示,加有4mm的保护层后,砂岩、花岗岩、大理石的损伤度相对于无保护层时分别降低了14.8%、48.2%和21.1%。 作为对试验的验证和补充,采用LS—DYNA3D有限元软件对有、无保护层的岩石试件冲击过程进行了数值模拟。结果表明,试件冲击面的压力峰值从无保护层时的1.03GPa下降到有保护层时的0.44GPa,其降低率为57%。并将数值模拟结果和试验结果进行了对比,发现数值模拟与试验有较好的一致性。 根据保护层材料对岩石损伤的防护作用原理,简要介绍了护壁爆破技术及其在矿山爆破中的应用。 本文的研究结论对工程控制爆破技术和岩土工程安全防护等课题的研究有一定的参考价值。
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