第六章岩石爆破理论第一节爆炸应力波共32页

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③K→∞,ρ1cp1→0
σr=σi,σt=2σi,反射应力=入射应力,透射应力=2倍的入射应力,(入 射波为压缩波,反射波也为压缩波,没有透射波)
Er= Ei,Et=0,能量全反射,而没有透射 相当于向刚体入射 ,或者从空气中向岩石入射 。
第一节 岩石中的爆炸应力波
④ K≠0,1,∞ 0<K<1时,ρ1cp1>ρ2cp2。相当于由硬岩向软岩入射。 σr与σi反号,即有反射波,为拉伸波 , σt与σi同号且σt<σi,也有透
对于抗压强度又分为三向抗压,双向和单向。 R压3>R压2>R压1 2 .由于岩石的结构构造不同,各向异性,岩石的强度也呈各向
异性,如层状岩石,R||<R⊥ 3.随着加载速度的增加,强度增加 ,R动>R静
第一节 岩石中的爆炸应力波
四、岩石的硬度 岩石表面抵抗工具侵入的能力叫做岩石的硬度。 岩石的硬度又分为静压入硬度和冲击压入硬度。
对于某一点而言(,,v)=f(t) 对于某时刻(,,v)=f(x,y,z)
即岩石的应力状态(,,v)即是坐标的函数,
又是时间的函数 岩石的应力在岩体中的分布叫做岩石的应力场
第一节 岩石中的爆炸应力波
由炸药的爆炸作用而引起的冲击载荷称为爆炸载 荷;
由爆炸载荷的作用,在固体介质中引起的应力状 态参数的改变的传播――称之为爆炸应力波。
r
2cp2 2cp2
1c1 1c1
i
t
22cp2 2cp2 1c1
i
令: 2c p2 K 1c p1
则有: r K 1 i K 1
t 2K i K 1
第一节 岩石中的爆炸应力波
通过推导,还可以得出入射波所携带的能量与反射波及 透射波所携带的能量之间的关系:
Er
22ccpp22
1c1 1c1
K→ ∞ →刚体 全反射
σi 2σi
第一节 岩石中的爆炸应力波
应用举例 ①自由面的作用 爆炸应力波→自由面,反射成拉伸波σr=-σi,Er=Ei,
反射拉伸波在岩石中产生拉应力
第一节 岩石中的爆炸应力波
② 求孔壁上的最大压力(压力峰值)
p
pm
n
r
t
2p2cp2 p1cp1 p2cp2
i
令炸药的波阻抗为 ρeD
pm
2岩cp岩 eD岩cp岩
pC-J
③解释节理裂隙对爆破的影响 节理裂隙的存在,相当于应力波从岩石Ⅰ→空气(软岩)→岩石
Ⅱ,在此过程中,消耗了大部分能量,从而使应力波衰减加 快,使后面的岩石不容易破坏
第一节 岩石中的爆炸应力波
6.应力波向介质交界面倾斜入射
不论是纵波,还是横波,当其向介质交界面倾斜入射时,都会产 生反射的纵波和横波以及透射的纵波和横波。
7.岩石的变形能
岩石的变形能实际分为两部分 :变形势能和变形动能:
WE
1
2
2
2E
WF
1 v2
2
2
2E
单位体积总的变形能为 单位体积内的变形势能和变形动能均之
和:
W 12 E
第一节 岩石中的爆炸应力波
三、岩石的强度特征
岩石的强度指岩石在外力作用下抵抗外力破坏的能力。
1.根据外力的形式可分为抗压、抗拉和抗剪强度,其中 R压>R剪 >R拉
第一节 岩石中的爆炸应力波
3.应力波的分类 岩石当中的应力波按其传播的途径和位置不同分为体积波
和表面波两种
(1)体积波:在介质内传播的波 按波的传播方向与介质质点的运动方向的相互关系又分为:纵 波和横波。纵波又叫做膨胀波,或叫P波 ;横波又叫畸变波、 剪切波、S波,横波在岩石中产生剪切应力。
(2)表面波:沿着介质表面传播的波 表面波分为瑞利波和勒夫波。
第一节 岩石中的爆炸应力波
4.应力波的传播
①假设,当我们所研究的某点距爆源很远时,波阵面是平面 ②假设质点只沿x轴方向发生位移,则由x2
cpvp
csvs
式中:σ,τ ——介质中某点的正应力和剪应力 ρ——介质的密度, cp,cs——在介质中传播的纵波、横波波速
vp,vs——纵波横波介质质点的运动速度。
第一节 岩石中的爆炸应力波
(3)这里需要说明的几点 ①纵波是爆破破坏岩石的主要原因。 ②同一个波,按不同的分类,有不同的名称。 ③在爆破近区(强冲击波区)由于压力极高,岩石产生塑性流动,
近似于流体,没有剪应力——无剪切波(横波)。 ④冲击波或压缩波中有负值部分,表明应力为拉应力,称为拉伸
相,一般不称为拉伸波,因为就整个波而言,主要是压而不 是拉。 ⑤如果传播的应力改变在弹性极限内,称为弹性波。
速度vp与波的传播方向一致时,取正值, 相反时,取负值,波速cp取绝对值,假定 σi、σt、σr均为正值。
第一节 岩石中的爆炸应力波
分析M点:
应 力:σi+σr=σt
质点速度:vi+vr=vt
根据公式:σ=ρcpvp有:σi=ρ1cp1vi; σr=ρ1cp1vr;σt=ρ2cp2vt
将以上5式联立求得 :
n2 u 1u
第一节 岩石中的爆炸应力波
(3)地震波传播特性 压缩波再衰减,就变成地震波了。 ①t升=t降 ②作用范围从几十倍~几千倍的药包半径。 ③只能引起岩石质点的振动(具有周期性压缩波和冲
击波没有),但当介质质点的振动速度很大时,可 使地表的建筑物或构筑物发生破坏。 ④传播速度等于声速 ⑤应力衰减与距离呈线性关系
射波,为压缩波 , 0<(Er,Et)<Ei,能量既有反射,也有透射。 1<K<∞时ρ1cp1<ρ2cp2,相当于由软岩向硬岩入射 。 σr与σi同号,且σr<σi,有反射波,为压缩波 ,σt与σi同号且σt>σi,
也有透射波,为压缩波 ,0<(Er,Et)<Ei,能量既有反射,也 有透射。
第一节 岩石中的爆炸应力波
比较陡
冲击波
压力 p
应力波
地震波
0 距离 s
第一节 岩石中的爆炸应力波
冲击波参数
0D D u
pp0 0Du
EE2E11 2pp0V0V
p 1B 4 1
四个方程五个未知数,故先确定D:
Dabu
冲击波的衰减
p
p2 r
第一节 岩石中的爆炸应力波
岩石中的冲击波,具有以下特性 :
①具有非常陡的波阵面 ;
静压入硬度:以静压力压入岩石的表面,使之产生 残余变形或破碎时,用单位面积上的压力值来表示。 冲击压入硬度:用冲锤以一定的速度冲击岩石表面 时,用冲锤回弹高度作为冲击压入硬度的指标。 硬度越高,工具侵入越难,凿岩速度越低。
第一节 岩石中的爆炸应力波
五、岩石的磨蚀性
岩石对工具的磨蚀能力,叫做岩石的磨蚀性。 岩石的磨蚀性直接影响着凿岩工具的损耗率,影响 磨蚀性的主要原因,矿物的硬度,结晶颗粒,结晶 状态,例如矿物颗粒大,矿物硬度高,结晶程度好, 腐蚀性就强。
第一节 岩石中的爆炸应力波
岩石在静载荷作用下,在弹性范围内,符合胡克定律, 其弹性常数与其它材料一样。
弹性模量E,剪切模量G,波松比μ,体积模量K
E
G E
2(1 )
2 1
K1 1 2 2 333(1 E2)
第一节 岩石中的爆炸应力波
对于层状岩石,E表现出明显的各向异性 E增大,变形愈难,消耗在变形上的能量变小,
低碳钢的应力—应变曲线
(N /m m 2)

b
c

a
d





e f
(N /m m 2)
0 .2





o a
o
0.2%
b
第一节 岩石中的爆炸应力波
岩石的应力—应变曲线
– 一类岩石可称之为弹脆性体。 – 另一类称为弹塑性体。一般把曲线变缓的转折点称
为屈服极限,实际上只有少数较软的沉积岩才是弹 塑性体。
②K=0,ρ2cp2=0 σr=-σi,σt=0,有反射应力,而没有透射应力(有反射波,没有透射波,
反射波为拉伸波;
Er= Ei,Et=0能量全反射,没有透射能量 • 假设有两种介质一边是岩石,一边是空气,那么这个岩石所面临 的是空气,这个岩石表面称作临空面,又叫自由面。 • 如果波在岩石中向自由面入射,显然ρ1cp1>>ρ2cp2
可以说对爆破有利
E|| E
(a)
(b)
第一节 岩石中的爆炸应力波
二、岩石的动载荷变形特征
1.冲击载荷和应力波 冲击荷载的特点:
加载速度很大,加载时间很短 波:扰动的传播 应力波:应力应变改变的传播就叫应力波。
第一节 岩石中的爆炸应力波
岩石在冲击载荷作用下,岩石内的应力状态( , ,v )表现为:
2
Ei
Er K 12 Ei K 1
Et
42cp21c1 2cp2 1c1
2
Ei
Er Ei
4K (K 1)2
下面就无因次量K分几种情况加以讨论
①K=1,ρ1cp1=ρ2cp2 σr=0,σt=σ,没有反射应力,透射应力=入射应力 Er=0,Et=Ei没有反射能量,能量全部透射
第一节 岩石中的爆炸应力波
第一节 岩石中的爆炸应力波
当炸药在无限均质岩体中爆炸时,会在岩石中产 生应力波,根据应力波的振幅的大小,从爆源 开始,一般将应力波分成三段:冲击波、压缩 波、地震波。
冲击波
压力 p
应力波
地震波
0 距离 s
第一节 岩石中的爆炸应力波
2.爆炸应力波的特性
(1)冲击波 冲击波的波阵面处介质状态的变化是突跃的,波阵面
P Pm /r
n2 1
第一节 岩石中的爆炸应力波
(2)压缩波 或称为应力波 冲击波通过衰减,变成了压缩波,具有以下特性: ①波阵面的状态参数变化较缓 t升≠0 t升< t降 ②作用范围较大 ,一般为十几~几十倍的药包半径 ③对岩石的作用减弱,但仍然能够引起岩石破坏及残
余变形 ④传播速度=岩石中的声速 ⑤应力衰减速度变慢 ,μ=0.1~0.45, n=1.18~1.89
第一节岩石中的爆炸应力波小结第一节岩石中的爆炸应力波应用举例自由面的作用爆炸应力波自由面反射成拉伸波反射拉伸波在岩石中产生拉应力第一节岩石中的爆炸应力波求孔壁上的最大压力压力峰值令炸药的波阻抗为解释节理裂隙对爆破的影响节理裂隙的存在相当于应力波从岩石空气软岩岩石在此过程中消耗了大部分能量从而使应力波衰减加快使后面的岩石不容易破坏第一节岩石中的爆炸应力波6
压力上升时间 t升≈0 ,压力下降时间 t降≠0>> t升
②作用范围非常小 ;
设=距离(到爆源中心)/药包直径,称为比例距离 ,则≈3~15
③对岩石作用非常强烈,可使岩石熔化产生塑性流动,压碎、破 裂;
④传播速度>声速(岩石中);
⑤应力衰减极快 ,一般的 =0.1~0.45,n=2.11~2.82
n
第六章 岩土爆破理论
第一节 岩石中的爆炸应力波 第二节 岩石爆破破碎原因的几种学说 第三节 单个药包的爆破作用 第四节 装药量计算原理 第五节 爆破参数的意义和选择 第六节 影响爆破作用的因素
第一节 岩石中的爆炸应力波
一、岩石的静载荷变形特征
静载荷加载特点 加载速度无限小。 加载时间无限长,趋近于无穷大。
小结
K = ρ 2cp2/ρ 1cp1
K=0
相当于 岩石→自由面
能量
全反射
σr
-σ i
应力
σt
0
0<K <1
硬岩→软
部分反射 部分透射 与 σi反 号 |σ r |< |σ i|
σ t< i
K=1 同种介质 全透射
0 σi
1 < K <
软岩→硬岩
部分反射 部分透射 与 σi同 号
σr <σi σ t> σ i
第一节 岩石中的爆炸应力波
③对于弹性波(在弹性介质中传播)纵波和横波的波速分别是:
cp
Ed
1d
(1d)(12d)
在一维杆件中
cp
E
cs
E1
2(1d)
G
第一节 岩石中的爆炸应力波
5.应力波向介质交界面垂直入射时的 反射与透射
设: 入射波应力为σi质点速度vi 透射波应力为σt质点速度vt 反射波应力为σr质点速度vr 先规定,应力,压为正,拉为负。质点运动
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