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隧道岩石爆破理论研究与数值模拟

作　者: 王庆国
导　师: 杨其新
学　校: 西南交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 岩石爆破不耦合装药爆破振动隧道
分类号: U451.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 569次
引　用: 7次
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内容摘要

随着社会经济的迅速发展,岩石爆破技术广泛应用于边坡开挖、隧道掘进和矿产开采等领域,如何降低炸药用量,减少岩石损伤,有效进行爆破,已成为目前迫切需要解决的问题。本文运用有限元程序LS-DYNA,对单孔柱状装药爆破和隧道开挖爆破振动进行了数值模拟,深入研究了炸药在岩石中的爆破规律。论文主要包括以下几个部分:1.研究了岩石爆破作用机理。从岩石爆破模型的发展历史入手,系统讨论了弹性模型、断裂模型、损伤模型和分形损伤模型的优缺点,并对一些理论公式进行了推导;探讨了岩石爆破破碎机理,综合各种理论,并对其最近发展作了介绍;在前人研究成果的基础上,研究了岩石连续和各种不耦合装药爆破破岩理论,对连续装药结构的不同起爆方式进行了理论研究。2.研究了动力有限元程序LS-DYNA的计算原理。从理论方面,介绍了LS-DYNA的控制方程、时间积分、高斯单点积分和沙漏控制、应力计算、人工体积粘性控制、时间步长控制和无反射边界等,并介绍了数值模拟要用到的岩石模型的本构关系、屈服准则和炸药的数值计算模型,讨论了Lagrange、Euler和ALE三种算法的区别,为本文的后续工作打下基础。3.利用LS-DYNA软件,对不耦合和正反向起爆各种条件下岩石单孔爆破过程进行数值模拟,研究爆破时岩石中压力、水平速度和水平加速度的变化过程,并将各种作用情况进行比较,验证理论的正确性,推动了计算机模拟在岩石爆破中的应用。4.从爆破振动方面,对云顶隧道的爆破开挖对围岩的影响进行了数值模拟,得出一些规律,对不同炸药药柱长度、微差时间和起爆方向,进行了对比分析,得出最优参数,并对并行隧道爆破的相互影响也做了数值分析,得出一些结论,为工程施工提供参考。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-10
第1章绪论  10-13
  1.1 选题依据及研究意义  10-11
  1.2 国内外研究历史及现状  11
  1.3 本文的主要研究内容  11-13
第2章岩石爆破理论分析  13-32
  2.1 岩石爆破的本构模型  13-19
    2.1.1 弹性理论阶段  13
    2.1.2 断裂理论阶段  13-14
    2.1.3 损伤理论阶段  14-17
    2.1.4 分形损伤理论阶段  17-19
  2.2 岩石爆破破碎的机理分析  19-23
    2.2.1 冲击波反射拉伸破坏理论  19-20
    2.2.2 爆炸气体膨胀破坏理论  20
    2.2.3 两种岩石破碎理论的综合与发展  20-22
    2.2.4 现代爆破理论的基本观点  22-23
  2.3 不耦合装药爆破的破岩机理研究  23-32
    2.3.1 岩体中连续装药破岩过程  23-24
    2.3.2 岩体中径向不耦合装药的破岩过程  24-26
    2.3.3 空气间隔不耦合装药爆破中，空气层“储能”的作用  26-27
    2.3.4 轴向不耦合装药爆破开挖的作用机理  27-30
    2.3.5 不同起爆方向爆破机理分析  30-32
第3章显式动力有限元分析理论  32-45
  3.1 有限元基本原理  32-34
  3.2 LS-DYNA简介及计算理论  34-40
    3.2.1 控制方程组  35-36
    3.2.2 时间积分  36-37
    3.2.3 高斯单点积分与沙漏控制  37
    3.2.4 应力计算  37-38
    3.2.5 人工体积粘性控制  38-39
    3.2.6 时间步长控制  39
    3.2.7 无反射边界  39-40
  3.3 材料模型  40-43
    3.3.1 岩体力学模型  40-42
    3.3.2 炸药爆炸模型  42-43
  3.4 LS-DYNA算法选择  43-45
第4章单孔柱状装药爆破的数值模拟  45-61
  4.1 连续装药与不耦合装药  45-53
    4.1.1 模型建立与网格划分  45-49
    4.1.2 模拟结果及分析  49-53
  4.2 不耦合系数对比分析  53-57
  4.3 正反向起爆  57-61
    4.3.1 反向起爆  57-59
    4.3.2 正向起爆  59-61
第5章隧道爆破振动模拟  61-81
  5.1 工程概况  61-62
    5.1.1 起讫里程及围岩划分  61
    5.1.2 设计技术条件  61
    5.1.3 地理特征  61-62
  5.2 爆破开挖数值模拟  62-76
    5.2.1 数值模拟  62-66
    5.2.2 不同装药量爆破  66-70
    5.2.3 微差爆破  70-73
    5.2.4 正反向起爆  73-76
  5.3 邻近隧道爆破影响数值模拟  76-81
    5.3.1 主洞爆破对平导的影响  76-78
    5.3.2 平导爆破对主洞的影响  78-81
结论  81-83
  1. 主要结论  81-82
  2. 论文存在的不足  82-83
致谢  83-84
参考文献  84-87
攻读硕士学位期间发表的论文及科研实践  87

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