基坑开挖爆破下邻近管道振动速度安全阈值研究

结合武汉轨道交通光谷广场综合体深基坑开挖爆破工程,建立LS-DYNA有限元模型,分析了爆破作用下邻近污水管道的动力响应规律和振动速度安全阈值;并根据弹性波场论分析P波斜入射和垂直入射产生的拉应力,由极限拉应力准则建立管道爆破振动速度安全阈值计算模型。结果表明:管道迎爆侧的爆破质点位移和振速均大于背爆侧,管道上入射角为0~40°的部分为易破坏区域,管道正上方的地表振速约为埋地管道最大振速的0.75倍;并最终确定管道正上方的地表振速安全阈值为10 cm/s;基于数值模拟得出的振动速度安全阈值大于理论分析得出的结果,因此在进行相似工程的设计研究时,不建议采用单一方法分析出结果,以便为实际工程安全施工提供更切实的指导。     

基于车桥耦合振动的高速铁路系杆拱桥吊杆优化布置*

为研究吊杆布置形式对系杆拱桥动力特性的影响,以建成的某主跨度128 m系杆拱桥为工程背景,将车速、吊杆布置形式作为影响因素建立全桥有限元模型;车辆动力模型采用CRH2型动车组,并利用有限元软件ANSYS以及UM（Universal Mechanism）动力学分析软件联合进行仿真分析;研究桥梁结构的吊杆布置形式以及列车过桥运行速度对系杆拱桥结构自振及动力响应的影响。结果表明:斜吊杆拱、网状吊杆拱能明显提高面内振动的自振频率,对面外振动影响微弱;随着速度的增加,位移、加速度、冲击系数等大致呈增大的趋势,且速度等级越高其增大趋势越显著,桥梁的各项动力响应参数均在规范允许限值内;3种不同吊杆布置形式相比较,桥梁跨中横向位移基本不变,网状吊杆拱可以明显降低跨中竖向位移峰值。     

动力扰动作用下充填体的力学响应研究

稳定的充填体是二步骤矿房回采的安全保障。在采矿动力作用下实现充填体的稳定性预测,是二步开采的安全控制关键。为了研究不同扰动幅值下充填体的动力响应规律,以某矿山工程为研究对象,采用Midas/GTS与FLAC3D数值模拟技术,建立了充填体动力稳定性分析的三维数值模型并进行了数值模拟分析。研究结果表明:动力扰动作用下,充填体暴露面的破坏区域由四周逐渐向中心扩展,并随着动力扰动幅值的增加,充填体暴露面破坏区域逐渐增大直至贯通破坏;充填体暴露面质点峰值振动速度随着动力扰动峰值的增加而增加,并得出了适用于该矿充填体暴露面振动峰值速度与动力扰动幅值之间的函数关系。距动力加载面越远,充填体内部质点峰值振动速度越小,且距动力加载面0~12 m处,质点峰值振动速度衰减较慢,从12~20 m质点峰值振动速度下降趋势最为明显。     

基于离散元法的采动顺层岩质斜坡变形破坏响应特征研究

地下采矿影响下顺层岩质斜坡极易发生采动顺层滑坡,且往往规模大,危害极严重.采用UDEC离散元法,将不同地表斜坡与采空区之间的空间位置关系归纳为地下单区段开采、跳采、顺坡开采、逆坡开采4种开采程序,并分别研究其对顺层岩质斜坡的变形破坏响应特征.结果表明:4种地下开采程序影响下,顺层岩质斜坡均出现拉裂、破裂、滑移破坏现象,但变形破坏程度不同;开采影响范围内,顺层岩质斜坡坡面出现明显上开口、下开口 2类裂缝,由坡面受拉伸变形引起上开口裂缝,因岩体向采空区方向卸荷下沉产生下开口裂缝;顺层岩质斜坡的上层岩体不仅向采空区方向下沉,还沿岩层面或软弱夹层向临空方向滑移;逆坡开采诱发顺层岩质斜坡变形破坏最为严重,且发生失稳滑坡的危险性最大.采动顺层岩质斜坡变形破坏响应特征研究为采动顺层岩质斜坡机理研究奠定了基础,可为采动顺层岩质斜坡稳定性分析提供一定的理论支撑.     

露天矿爆破地震波作用下框架建筑的动力响应

为研究露天矿爆破地震波作用下框架建筑的动力响应,开展了现场试验和数值模拟研究.试验测得爆破地震波参数和框架结构主体、砌体填充墙的固有频率及其动力响应;采用ANSYS程序计算出框架结构主体和砌体填充墙的固有频率,并分析了模型在爆破地震波作用下的动力响应.结果表明,填充墙体的固有频率高于建筑主体的固有频率,且接近于爆破地震波的输入频率,数值模拟计算的固有频率与现场测试结果一致;填充墙体的振动速度高于建筑主体的振动速度.虽然爆破地震波地表振动速率满足《爆破安全规程》,但框架结构主体和砌体填充墙固有频率的差异和频繁爆破震动使得砌体填充墙与梁、柱连接处产生裂缝.因此,评估露天矿周边框架建筑的振动安全性时,应考虑建筑的动力特性和露天矿爆破的特殊性.     

地震作用下尾矿库溃坝过程模型试验及加固方案

为研究地震作用下一般尾矿库的动力特性及破坏规律,探寻坝体加固方法,开展尾矿库概化模型振动台试验。由振动台提供水平动力,利用加速度传感器、激光位移传感器、动态数据采集系统及高速相机等设备获取坝顶加速度、位移及变形数据,分析尾矿库溃坝原因,提出坝体加固方案。试验结果表明,受地震荷载作用的尾矿坝,在坝体坡面2/3处出现"抛掷"现象;加速度放大系数随坝体高程变化不明显,随峰值加速度增加而递减;当峰值加速度达到0.4 g时,尾矿库经历液化、滑移、开裂,最终导致溃坝;溃坝后的泥浆沿下游不断演进直至停滞,堆积形态呈三角形;在坝底打抗滑桩加固能提高坝体的稳定性。     

露天铁矿分区爆破振动监测与安全分析

对放马峪铁矿三个采矿场分区爆破的振动速度进行了监测,在剔除异常值后得到了106组三向振动的峰值速度,然后对三向振动速度分别进行回归分析。分析结果表明:放马峪铁矿采取的爆破分区方案是安全可行的,符合《爆破安全规程》(GB6722-2003)的规定;爆破振动的三相回归公式中K值较小、α值较大,说明了毫秒延时爆破能够加快地震波的能量耗散,从而起到干扰降振的作用;同一次爆破中,爆破振动速度的垂直向分量不一定总是最大,在评价爆破振动产生的破坏时,不应单一选取爆破振动速度的垂直分量作为评判标准,而应选择建构筑物所处位置振动速度分量中的最大值。     

地下洞室及其围岩爆破地震安全监测与动力分析

基于地下洞室及其围岩的爆破震动安全监测,通过质点振动速度峰值及其卓越频率分析,论述爆破地震波的传播规律以及地下洞室与围岩爆破地震作用下的动力特性,并对爆破地震安全监测与分析结果进行解释与原因探讨。通过大量监测数据的回归分析,得出质点振动速度峰值与爆破药量和距离及环境条件的关系式,并在分析三者关系的基础上指出,近爆破点区域的爆破地震波衰减速度明显大于较远区域,爆破引起的质点振动速度峰值的卓越频率集中在以45Hz为中心的15~75Hz范围值。质点振动速度峰值及其卓越频率与爆破规模与环境的几何因素密切相关,介质本身的物理几何特性是爆破地震波衰减的主要影响因素之一。     

厦门云顶隧道爆破监测与分析

通过对厦门市云顶隧道爆破振动的监测与分析,确定了爆破振动引起的地表质点振动速度峰值与比例药量之间的经验公式。得出了地表质点振动主振频率主要集中在低频段;当存在一定厚度的表土层时,主振频率随距离的增加而减小的趋势并不明显;总体上存在主振频率随距离的增加而往下降的态势;不同距离的振动速度主频呈现出不同的分布趋势,同时,不同距离的振动速度主频表现出分布范围的集中程度不同。笔者提出了沿垂直方向、水平径向和水平切向振动时不同距离地震波衰减规律的经验公式。     

下穿铁路隧道爆破振动分析及控制方法研究*

为了系统研究下穿铁路隧道的爆破振动响应规律及安全控制方法,通过现场实测及数值模拟方法展开分析。首先,根据实测结果得到可以反映爆破振动速度分布特征的回归模型,并基于此得出隧道爆破施工允许的最大单响药量值;其次,采用FLAC3D平台建立三维数值模型,通过现场实验结果对模型的可靠性进行校核;根据数值模拟结果,得到适用于下穿隧道控制爆破施工的安全距离的建议值。研究结果表明:隧道空洞效应对爆破振动传播规律存在一定影响,研究结果可为类似的下穿隧道爆破施工提供1种新的控制方法及控制思路。     

大跨度公路隧道洞口段爆破对高边坡安全影响研究

为研究大断面公路隧道洞口段爆破开挖对边坡稳定性的影响，以某公路隧道洞口段工程为研究背景，基于Abaqus有限元软件，建立隧道—边坡三维数值计算模型，研究隧道洞口段爆破开挖对两侧高边坡安全性的影响，并分析砂浆锚杆对边坡的加固效果。结果表明:隧道洞口段爆破开挖施工时边坡坡脚处围岩振速最大，爆破对边坡水平振速影响较竖向振速及轴向振速更为显著，爆破时应控制坡脚及坡肩的水平振速；边坡坡面最大振速出现在洞口边坡坡面与仰坡坡面交线位置，边坡坡面与仰坡坡面交线上顶点为坡肩振速最危险的特征点，下端点为坡面振速最危险的特征点；增加锚杆长度对边坡水平位移的控制效果较竖向位移更为显著，锚杆长度宜取14 m。研究结果可为类似工程提供理论借鉴。     

隧道掘进爆破载荷作用下埋地管道的振动峰值速度预测研究*

为研究隧道掘进爆破过程中地震效应对邻近埋地管道安全性的影响,建立平行于隧道的埋地管道数值模型,将管道视为薄壳圆柱体,定义管道在动载荷作用下的塑性破坏准则,并利用无量纲分析法构建管道表面质点的振动速度关于振动频率与爆破持续时间的数学模型,从而研究埋地管道受震特性。结果表明:隧道掘进爆破作业下成洞侧的管道应力峰值低于非成洞侧的管道应力峰值,爆炸载荷下邻近埋地管道表面最大振动速度位于爆源与管道表面最近点处,在该点两侧45度范围内为管道易受损位置。将预测公式计算所得振速峰值与数值模型提取的振速峰值进行比较,得出二者的平均误差约为17.7 %。     

大断面高铁隧道掘进爆破振动传播规律研究*

为研究隧道爆破掘进振动规律并合理控制爆破振动危害，对京张高铁大断面南口隧道爆破掘进过程进行实时监测，并对监测结果进行线性回归分析，求得3个监测方向的场地系数K和衰减系数α值以及爆破振动峰值速度衰减回归方程，通过FFT法计算出主振频率和爆破振动波的振动频率范围，利用ANSYS/LS-DYNA对爆破工程进行数值模拟。结果表明:喷锚支护和监测方向对爆破振动衰减回归分析影响较大；主振频率和爆破振动波的振动频率分布范围为50~300 Hz，无需考虑周边建筑共振情况,与周边古建筑和临近隧道的最小安全距离分别为147 m和12 m；数值模拟与实际结果对比发现二者振动峰值略有差别但整体趋势基本相同，证明建立模型的有效性。     

基于差异进化算法的爆破震速参数识别与优化

爆破震动衰减特性研究通常采用经典的萨道夫斯基公式实现。如何根据不同爆破条件合理选择公式中的场地系数K和衰减指数α是确定爆破控制参数的关键。实际工程分析中,通常采用可监测参数反演识别方法获取K和α值。以大连地铁2号线201标段接收井横通道爆破作业为背景,基于差异进化(DE)算法中缩放因子F和交叉概率Cr贡献值的合理选择,研究萨道夫斯基公式K和α的反演问题。首先,通过对算法中F和Cr不同取值对萨道夫斯基公式计算结果的影响分析,得到各向震速条件下收敛最小的F和Cr值;然后,根据F和Cr取值反演K和α参数。工程实践表明,基于DE算法反演识别得到的K和α值代入萨道夫斯基公式,计算得到的垂向、纬向、经向速度及合速度与实测速度变化趋势一致,并处在合理误差范围之内。     

空区隐患爆破治理方案及延期时间的数值模拟分析

为了防止矿山空区引起地表塌陷造成建构（筑）物的破坏以及降低矿柱塌落振动对井下开采的威胁,采用现场试验与数值模拟相结合的方法,优选爆破治理方案和延期时间。根据炮孔布置和爆破参数,建立实际比例数值模型;在岩石物理力学指标测试的基础上,确定模型材料参数;采用LS-DYNA数值模拟软件,对比分析方案优劣以及确定爆破延期时间。研究结果表明:在满足空区隐患爆破治理效果的前提下,同一节点处A方案质点振速峰值为0.923 9 m/s小于B方案质点振速峰值1.225 3 m/s;而且当延期时间为100 ms时,通过模型垂直方向的位移云图可知岩石的破坏范围最大,塌落区域更加分散。现场应用结果显示空区隐患治理工程爆破效果良好,形成了隔离缓冲层,可以保证露天和井下的安全。     

隧道掘进爆破振动对围岩影响的HHT分析

为了探究隧道掘进爆破振动信号在围岩等级改变处的传播衰减特性,以新建铁路北京至沈阳客运专线（辽宁段）TJ-1标三棱山隧道为工程背景,采用理论分析与现场试验相结合的方法,基于TC-4850监测试验数据,对爆破质点振速时程曲线进行EMD分解和Hilbert变换。依据测点3个方向的边际谱和瞬时能量谱,分析爆破振动能量在时域和频域的分布规律,进而可以得出各频带的能量百分比以及总能量与距离的关系曲线。通过分析地震波信号沿隧道围岩传播衰减性质可以得出:爆破振动能量在频域上分布具有各向异性,而且在垂直方向上具有数量比例高、所占频带低的特点;隧道掘进爆破振动总能量在围岩等级改变处出现“断崖式”衰减,且在Ⅳ级围岩中相对衰减率更高,衰减更为迅速。     

大孤山铁矿边坡爆破损伤分区研究

露天矿生产爆破,特别是靠帮爆破在边坡中形成的爆破损伤区对其稳定性具有很大的影响。本文针对大孤山铁矿露天爆破开采的实际情况,建立了极限平衡数值分析模型及峰值速度衰减公式。利用数值分析软件Geoslope对边坡靠帮爆破过程中岩体损伤范围进行了研究,主要分析了在爆破-200--212m水平时,爆破震动对边坡岩体的影响,并利用萨道夫斯基公式和PPV安全判据对爆区周围岩体损伤范围进行了计算。结果表明距离炮孔6.2m以内范围为完全破碎区,6.2-12.4m为岩体重度损伤区,12.4-19.7m为轻微损伤区。数值分析表明距爆源同一距离的岩体质点峰值速度随深度的增加而减小,爆破区周围震动波速成漏斗形分布,同实际爆破情况吻合。     

基于SPH-FEM耦合法的含缺陷输气管道爆炸冲击响应研究

针对大口径埋地输气管道发生物理爆炸对并行含体积缺陷邻管的冲击行为，利用LS-DYNA和LS-PREPOST有限元软件建立基于光滑粒子流体动力学-有限单元法的管-土-炸药耦合模型，分析不同缺陷深度、不同缺陷表面积、不同缺陷位置和不同爆心距下邻管的动力响应；基于爆腔预估公式和峰值振速经验公式，验证了所建耦合模型的可靠性，并通过设计算例开展多工况分析。研究结果表明:迎爆面上的缺陷处为动力响应的热点区域，最大响应特征值（应力、位移与振速）位于缺陷中心处，随缺陷深度的增加或管间距的减小特征值增速由平缓到急剧；相比缺陷位置和表面尺寸对管道的扰动程度，缺陷深度和爆心距对管道的动力响应影响较大；在本研究的条件下，建议埋地并行输气管道的安全间距不应小于5.16 m，且腐蚀深度不大于管道壁厚的0.633 6倍。研究结果可为埋地输气管道极端灾害下的风险评估提供技术支撑，为并行管道可能的抗爆隔爆设计提供模拟数据支持。     

爆破和降雨作用下诱发含后缘裂缝岩质边坡失稳机制研究

为了探讨爆破和降雨对边坡失稳的影响,基于边坡实际结构,提出了将滑面分为后缘张拉裂缝段、中部锁固段、下部剪切滑动段。利用断裂力学理论,分析了爆破和降雨双重工况下的裂缝起裂扩展判据。基于格里菲斯（Griffith）能量准则,推导了边坡滑动块断裂后沿底滑面的剧动距离。通过实例验证了理论计算的可行性和适用性,研究结果表明:边坡表面裂缝起裂的根本动力为降雨、爆破以及二者的共同作用;在一定外力条件下,裂缝起裂扩展存在最小临界深度;降雨和爆破共同作用时,裂缝扩展临界深度最小;中部锁固段长度为控制边坡失稳的关键因素;降雨并不能使裂缝扩展,预知裂缝深度时,可通过控制爆破药量来控制边坡失稳。