摘 要 我国目前在大兴核电站的建设，核电站的建设过程中往往会采用爆破的方式进行基岩的开挖，而爆破引起的振动应力波会对保留建基面基岩造成一定损伤灾害，从而整体工程的安全。因此，研究不同爆破方式下岩体的损伤范围分布特征及规律具有具有很重要的意义。 文章主要以广东台山核电站的基岩爆破及声波实验为工程背景，通过现场试验与数值模拟相结合，研究了单孔装药量、最大段药量及同时起爆炮孔数对爆破损伤范围的影响，并有以下成果： （1）在单孔柱状装药条件下，岩体的损伤半径是损伤深度的2倍多，损伤范围随着单孔装药量的增大而增大。 （2）相对于单孔爆破，多孔爆破由于相邻爆孔间应力波会产生叠加，岩体的损伤程度及范围都要更大。 （3）在多孔爆破中，岩体的损伤深度随着最大段药量及同时起爆炮孔数的增大而增大，但当同时起爆的炮孔数增大到一定程度时，由于应力波的叠加不再加强，损伤深度便不再增大。 关键词：爆破；损伤范围；数值模拟 Abstract At present, China is building nuclear power plant in a big way, blasting is often used to excavate the bedrock during the construction of the nuclear power plant, and the vibration stress waves caused by blasting will cause some damage to the bedrock on the base of the construction, thus the safety of the whole project. Therefore, it is of great significance to study the distribution characteristics and laws of the damage range of rock mass under different blasting methods. In this paper, based on the foundation rock blasting and sound wave experiment of Guangdong Taishan nuclear power station, the influence of single charge weight, maximum charge weight per delay and the number of blasting holes at the same time on the blasting damage range are studied by means of field test and numerical simulation. (1) Under the condition of single hole columnar charge, the damage radius of rock mass is more than 2 times of the damage depth, and the damage scope increases with the increase of single-hole charge. (2) Compared with single-hole blasting, the damage degree and scope of rock mass will be greater because of the superposition of stress waves between adjacent blasting holes in multi-hole blasting. (3) In multi-hole blasting, the damage depth of the rock mass increases with the increase of maximum charge weight per delay and the number of blasting holes at the same time, but when the number of blasting holes increases to a certain degree, the damage depth will no longer be increased because the superposition of the stress wave is no longer strengthened. Key words: blasting; damage range; numerical simulation 目录 第1章 绪论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.2.1岩石爆破损伤理论的研究 1 1.2.2岩石爆破损伤试验的研究 3 1.2.3岩石爆破损伤的数值模拟 4 1.2.3目前存在的问题 4 1.2 主要研究内容 5 第2章 岩石爆破理论及损伤测试 6 2.1 岩石爆破破坏机理 6 2.2.1爆生气体膨胀破坏理论 6 2.2.2爆炸应力波反射破坏理论 6 2.2.3爆生气体和应力波共同作用理论 7 2.2.4岩石爆破破坏分区 7 2.2 工程概况 8 2.3 实验方法及声波布孔 9 2.4 实验结果及分析 10 2.5 本章小结 25 第3章 数值模拟 26 3.1 ANSYS/LS-DYNA程序简介 26 3.2数值计算模型及参数设置 26 3.2.1模拟方法选择 26 3.2.2材料模型及状态方程 26 3.2.3几何模型的建立 28 3.3数值模拟结果及分析 30 3.3.1单孔爆破数值模拟 30 3.3.2多孔爆破数值模拟 32 3.4 本章小结 35 第4章 结论与展望 37 4.1 结论 37 4.2 展望 37 参考文献 38 致谢 40

1. 绪论

1.1研究背景及意义 为满足核电站主体建筑物（包括核岛、常规岛等）在自重和地震荷载作用下变形要求以及基础设计的便利，我国核电站绝大多数选择相对完整岩体作为核岛等主体建筑物的基础，基础的开挖采用爆破方式进行。在基础爆破开挖过程中，伴随着岩石爆破破碎过程，振动应力波在岩体介质中传播，一定会造成保留建基面基岩不同程度的岩体动力损伤灾害。由于核电工程的主体建筑对建基面的基岩完整性要求高，因此分析研究爆破引起的损伤范围及规律对爆破工程进行一定的指导显得尤为重要。 爆破是通过炸药爆炸产生的爆轰波、应力波以及爆生气体使岩体破碎、产生裂纹、裂纹扩展，形成损伤。岩体损伤是岩体在外载和环境作用下，由其细观结构的缺陷引起的材料或结构的劣化，可从微观和宏观两个方面来看：微观方面主要包括孔隙数目、微裂纹长度、裂隙的长度等等，宏观方面主要表现在波速、弹性模量、力学性质等等。 关于岩体爆破损伤，尽管国内外科研人员基于大量的理论分析、实验研究以及数值模拟等多种手段分析了爆破方式、地形地貌特征和节理（结构面）特征对其的影响机制，但总体上讲，由于问题的复杂性，仍需继续深入研究，完善相关理论，从而能更好地对爆破损伤进行控制。本文主要以广东某核电站的基岩爆破及声波实验为工程背景，采用理论分析、现场试验与数值模拟相结合的方法，一方面进行材料损伤测试并进行损伤分布特征分析，另一方面以材料声波测试结果为基础建立计算模型进行简单的损伤计算和分析，验证数值模型的正确性，并在此基础上进行更多不同实验条件下的计算和分析。 1.2国内外研究现状 1.2.1岩石爆破损伤理论的研究 岩石爆破损伤模型是研究岩石爆破损伤范围的主要理论依据，能客观反映岩石爆破的物理过程，近来成为国内外学者的研究热点，并且鉴于固体损伤力学的普适性以及创新性，在短短几十年间已经先后建立了数十种爆破损伤模型。其中最具有代表性的，有KG模型、TCK模型和KUS模型，下面将对这三个模型稍作介绍。 Kipp和Grady^[1]首先提出KG模型，他们认为岩体中含有许多原生裂纹，它们会在爆炸的荷载下以指数方式被激活，采用损伤参量D来表示因此引起的岩石强度降低。Taylor、Chen和Kuszmaul^[2]提出的TCK模型综合考虑了宏观和细观的缺陷，用裂纹密度表示有效体积模量和泊松比，将损伤变量以率形式耦合到动态本构方程中。Kuszmaul^[3]综合了KG模型和TCK模型提出了KUS模型，认为岩石抗压强度远小于其抗拉强度，其动力破坏可以分为两个部分，当岩石受压时被看作弹塑性体，而当其受拉时则被看作脆性材料。Throne等^[4]人提出的Throne模型认为激活裂纹数可能引起体积变化，因此采用了不同的损伤变量。 Yang、Liu等^[5,6]在以上模型的基础上，继续对裂纹密度及损伤变量进行修正，认为裂纹扩展与体积应变有很大的关系，提出了临界体积应变和断裂概率。 计算机技术的发展使岩体爆破损伤的研究进入新的时代，唐春安等^[7]开发的RFPA软件，其采用拉应变的累计值和极限应变之间的比例关系来代替裂纹密度表示岩体的损伤。 胡英国、卢文波等^[8]采用FORTRAN计算机编程语言，通过ANSYS/LS-DYNA中的自定义方法自定义了上述的5种损伤模型导入程序，并通过工程实例进行验证，结果表明KUS模型和RFPA模型的数值模拟损伤范围最接近实际情况。相关损伤模型的损伤变量及裂纹密度的定义见表1-1 ：