岩石、混凝土介质中爆破近区破坏规律的研究

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本文紧紧围绕爆源近区介质在爆炸作用下的效应这个中心,从理论分析和模拟计算两个方面对岩石、混凝土在爆破载荷作用下其爆破近区介质的破坏规律进行了分析研究。 在综述当前岩石类脆性材料爆破机理研究中各种观点的基础上,讨论了造成此类材料破坏的冲击波和爆生气体膨胀压力的作用机理,从理论上分析了在爆炸作用下压缩粉碎区、破裂区(爆破近区)以及爆破漏斗的形成和破坏机理以及压缩粉碎区半径、破裂区半径和爆破漏斗半径等计算公式;对当前的岩石爆破理论模型进行了较为全面、系统的回顾和总结,评述了这些模型的可取和不足之处,并对当前的研究热点及趋势作了讨论;回顾和总结了在爆破研究中的数值模拟方法,并对各种有限元方法进行了分析比较。在此基础上,得到了解决本课题的思路和方法。 对岩石中球形药包爆炸时炮孔上的爆炸荷载时程曲线进行了数值模拟,从而提出了一种新的求解炮孔压力的方法,即考虑岩石和爆炸产物相互作用的波传播耦合算法,使传统的基于实测手段和解耦计算的半经验化爆破模型向理性化方向迈进了一步。对比研究结果表明,将爆炸荷载曲线简化为一三角形状的解耦计算尽管有其合理的一面,但存在较大的误差。对不同炸药的炮孔压力时程曲线进行了比较分析,给出了炸药密度、爆速等参数对炮孔压力的影响和规律。 基于大型非线性动力分析软件LS-DYNA,对岩石和混凝土的无限体、半无限体以及深孔中爆破问题开展了数值模拟研究,重点研究了爆炸载荷对周围介质的作用和爆破破坏过程以及爆破漏斗的形成过程。炸药的爆轰性质采用LS-DYNA自带的Jones-Wilkens-Lee状态方程来描述,混凝土采用Johnson-Holmquist-Concrete损伤模型,岩石则采用冲击损伤本构模型。所得到的系列计算结果形象直观地反映了爆破近区介质的损伤、有效应力场、压力场、速度场、药室的“扩孔”效应以及爆破漏斗的产生、发展过程及分布形态,文中对结果进行了比较全面的分析研究,得出的结论与实际比较接近,较好地揭示了岩石、混凝土中爆破近区介质的破坏规律,在工程实践上对预测爆破地震强度以及对附近建(构)筑物的安全评估具有指导意义。
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