第五章岩土中爆炸的基本理论ppt课件

一、岩石的物理力学性质（续）
岩石密度与纵波波速乘积。 岩石波阻抗 ρc p ：岩石密度与纵波波速乘积。表征岩石 对纵波传播的阻尼作用， 对纵波传播的阻尼作用，它与炸药爆炸后传给岩石的总 能量及这种能量传给岩石的效率有直接关系， 能量及这种能量传给岩石的效率有直接关系，是衡量岩 石可爆性的一个重要指标。 石可爆性的一个重要指标。通常认为炸药的波阻抗与岩 石的波阻抗相匹配（相等或相近） 石的波阻抗相匹配（相等或相近）时，爆破传递给岩石 的爆炸能量最多。 的爆炸能量最多。 岩石的碎胀性： 岩石的碎胀性：岩石破碎后因碎块间孔隙增多而使总体 积增大，这一性质即为岩石的碎胀性。 积增大，这一性质即为岩石的碎胀性。其值为碎胀后的 体积V 与岩石原体积V之比 之比， 体积 1与岩石原体积 之比，即：
二、爆炸荷载下岩石的强度特性（续） 爆炸荷载下岩石的强度特性（
★动载下岩石强度（岩石动态强度）： 动载下岩石强度（岩石动态强度）： 提高加载速度，就提高了岩石的应变率， 提高加载速度，就提高了岩石的应变率，岩石由弹塑 塑性向脆性转化，弹性模量增大，强度也随之提高。 性、塑性向脆性转化，弹性模量增大，强度也随之提高。 岩石的动态强度和加载速率有关，速率越高， 岩石的动态强度和加载速率有关，速率越高，强度提 高越大。影响程度抗压强度高于抗拉强度。 高越大。影炸药在岩石中的爆炸时， 炸药在岩石中的爆炸时，最初施加在岩石上的是冲击荷 在极短的时间内上升到峰值压力，而后又迅速下降， 载，在极短的时间内上升到峰值压力，而后又迅速下降， 爆炸载荷的整个作用过程很短。在此冲击荷载作用下， 爆炸载荷的整个作用过程很短。在此冲击荷载作用下， 岩石内激起爆炸应力波。冲击压缩岩石，造成岩石破坏。 岩石内激起爆炸应力波。冲击压缩岩石，造成岩石破坏 爆炸应力波在距爆源不同距离的区段内可表现为： 爆炸应力波在距爆源不同距离的区段内可表现为：爆炸 冲击波、爆炸应力波和爆炸地震波。 冲击波、爆炸应力波和爆炸地震波。在爆源近区是冲击 具有陡峭的波阵面并以超声速传播， 波，具有陡峭的波阵面并以超声速传播，波阵面前后的 岩石状态参数（压力、密度、温度、岩石质点移动速度） 岩石状态参数（压力、密度、温度、岩石质点移动速度） 都发生突跃变化。冲击波在传播过程中能量消耗大、 都发生突跃变化。冲击波在传播过程中能量消耗大、衰 减快。随着距离增大，冲击波衰变为压缩应力波， 减快。随着距离增大，冲击波衰变为压缩应力波，波头 变缓，以声速传播，能量衰减较慢。随传播距离增大， 变缓，以声速传播，能量衰减较慢。随传播距离增大， 应力波又衰变为周期性振动的地震波。 应力波又衰变为周期性振动的地震波。

爆破工程
中国矿大建筑工程学院
岩石爆破破碎机理
反射拉伸应力波作用理论（动 作用理论） 该理论单纯强调冲击波 的作用，认为岩石破碎是由 于爆炸产生的压缩应力波从 自由面反射而形成的拉伸应 力引起的这种拉伸应力，从 自由面朝向装药的位置将岩 石成片拉裂。这种假说忽视 了爆生气体的作用。 实验基础：杆件和板件 实验。
Gd c
2 s
4 K d (c 2 c s2 ) p 3
d (c 2c )
2 p 2 s
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岩石中的爆炸应力波

爆破工程
冲击载荷在岩体内引起的应力－－应变

P last ic
Elast ic Y 1
e
中国矿大建筑工程学院
岩石中的爆炸应力波

爆破工程
σθ2
微单元
σθ2
σr1
r1 c 2 t
岩石不会被压碎
产生径向裂隙
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岩石爆破破碎机理
爆破工程
爆生气体作用在爆炸空腔 的岩壁上，形成准静压应力场 。在高压气体的膨胀挤压、气 楔作用下，径向裂隙继续扩展 和延伸，并且在裂隙尖端处的 气体压力下引起应力集中，加 速裂隙的扩展，构成了靠近粉 碎区的内密外疏、开始宽末端 细的径向裂隙。
d (l ) dt d d ( E ) d E E dt dt dt v
中国矿大建筑工程学院
爆破工程
霍普金森实验系统
中国矿大建筑工程学院
爆炸载荷下岩石的力学反应

爆破工程
炸药爆炸首先形成应力脉冲，使岩石表面产生变形和 运动。由于爆轰压力瞬间高达数千乃至数万兆帕，以 致于可在岩石表面形成冲击波，并在岩石中传播。 岩石中某局部被激发的应力脉冲是时间和距离的函数 。由于应力作用时间短，往往其前沿才传播一小段距 离而荷载已作用完毕，因此在岩石中产生明显的应力 不均现象。 岩石中各点的应力呈动态，即岩石的变形、位移均与 时间有关，岩石中的应力场随时间而变化。 载荷与岩体之间有明显的“匹配”作用。

岩土工程概论
建筑精选课件
1
岩土工程概论
一、什么是土木工程 二、土木工程与岩土工程是源与流的关系 三、什么是岩土工程 四、如何更好的进行学习与研究 五、工程实践介绍（基坑监测）
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2
一、什么是土木工程
１、土木工程的定义
土木工程是指运用数学、物理、化学等基础学科知识，力学、材 料等技术科学知识以及工程技术来规划、设计、修建各种建筑物和构 筑物的一门学科。
Ｃ、土地房产：土地估价师、资产估价师、房地产估价师、 咨询工程师、造价工程师、物业注册管理师、 室内建筑师
Ｄ、配套工程：土木工程师（岩土，港口与航道，水利水电） 电气工程师（发输变电、供配电） 公用设备工程师（暖通空调、给排水、动力） 化工工程师
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24
二、土木工程和岩土工程 是源和流的关系
工学08
力学0801 建筑学0813 土木工程0814
建筑精选课件
21
一、什么是土木工程
４、与土木相关的学科
工学08
水利工程0815 测绘科学与技术0816 地质资源与地质工程0818 矿业工程0819 石油与天然气工程0820 交通运输工程0823 船舶与海洋工程0824
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22
一、什么是土木工程
土工数值分析与计算（计算土力学）
有限元 （ANSYS, ADINA ,ABAQUS,FLAC,MARC,PLAXIS）
边界元
离散元
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无穷元
40
三、什么是岩土工程
• 岩土工程是土木工程下的一个二级学科
土木工程
岩土工程
结构工程
市政工程
供热、供燃气、通风及空调工程
防灾减灾工程及防护工程

根据爆破需要，精确计算炸药用量，避免 因炸药过多或过少引起的安全事故。
设立安全警戒区
培训专业爆破人员
在爆破作业区域设立明显的警戒标志，禁 止非工作人员进入，确保人员安全。
对参与爆破作业的人员进行专业培训，确 保他们具备相应的技能和知识，能够安全 、有效地完成爆破任务。
岩土爆破对环境的影响
空气污染
爆破过程中会产生大量 粉尘和有害气体，对周
静态破碎技术是指利用静态力使岩石产生裂纹，再通过爆破剂使 裂纹扩展，从而达到破碎岩石的目的。
应用场景
适用于岩石的破碎和拆除，特别是对周围环境有严格要求的情况 。
技术特点
安全可靠、无噪声、无振动、无飞石，但施工周期长，需要使用 专门的静态破碎设备和药剂。
其他岩土爆破技术
定向爆破
利用炸药在特定方向上产生破碎力的技术，适用于大规模的岩石开 挖和拆除。
边空气造成污染。
噪音污染
爆破作业会产生巨大的 爆炸声，对周边居民和
动物造成噪音干扰。
振动影响
爆破产生的振动可能会 对周边建筑、道路、桥
梁等设施造成影响。
水体污染
爆破过程中产生的废水 可能对周边水体造成污
染。
岩土爆破的环保措施与标准
粉尘控制
采取喷雾、洒水等措施减少粉尘的产生和扩散，同时对产生的粉尘进 行清理和回收。
破裂扩展
破裂扩展是岩土爆破的重要过程， 它涉及到岩石和土壤的破裂和位移 。
能量转化
岩土爆破过程中，化学能转化为机 械能，导致岩石和土壤的破碎。
岩土爆破的化学原理
炸药反应
炸药在起爆后发生化学反应，产生大量的热能 和气体。
爆炸气体生成
炸药反应产生大量的气体，这些气体在封闭环 境中形成高压。

可持续发展要求
合理利用资源、降低能耗 、提高效率、推动技术创 新等
和减震降噪技术， 实现绿色施工
05
岩土爆破理论展望
岩土爆破理论研究前沿
数值模拟与物理模拟相结合
通过建立更精确的数值模型，结合物理实验，深入研究岩土爆破 过程中的力学行为和破坏机制。
智能爆破技术
岩土爆破的基本原理
01
炸药爆炸产生的高温高压气体使岩土介质破碎或松 动。
02
炸药爆炸产生的冲击波和爆炸气体在岩土中形成冲 击应力波和剪切波，使岩土介质产生破坏。
03
炸药爆炸产生的爆炸气体膨胀作用将破碎的岩土介 质抛出，形成爆破漏斗。
岩土爆破的历史与发展
01
19世纪中叶，炸药和爆破技术开始应用于采矿和隧道开挖领域 。
利用微震监测技术，实时监测爆破过 程中的振动和破坏情况，提高爆破效 果和安全性。
通过控制炸药爆炸的方向和能量分布 ，实现特定方向的岩土破碎和分离。
岩土爆破工程实践展望
1 2 3
复杂环境下的爆破工程
针对复杂地形、地貌、地质条件下的岩土爆破工 程，研究相应的技术和方法，提高工程安全性和 可靠性。
城市地下空间开发中的爆破工程
确保使用的爆破设备和工具符合安全标准， 并定期进行检查和维护。
应急预案
制定应急预案，以应对可能发生的意外情况 ，包括人员伤亡、设备损坏等。
岩土爆破效果评估
01
02
03
破碎效果评估
根据破碎后的岩土粒径分 布、破碎程度等指标，评 估爆破效果是否达到预期 要求。
经济效益评估
比较不同爆破方案的施工 成本、经济效益等指标， 选择最优方案。
根据岩土性质、爆破条件和爆破 要求，选择合适的炸药类型和规 格，以达到最佳的爆破效果。

（据茂木清夫）
但弹性模量与围压的关系随岩石性质（强度） 不同而不同。
a.强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等）， 弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变； b.强度较低的弱岩（如砂岩等），弹性模量随围压的 提高而增大。
辉长岩应力差－轴应变曲线
砂岩应力差－轴应变曲线
2.不等围压三轴状态（真三轴状态）
（σ1＞σ2 ＞ σ3 ）
岩石在真三轴状态下的变形特征资料较少，而且 对一些互相矛盾的现象还没有得到统一的解释
3.等压三轴状态（静水压力状态）
（σ1=σ2 = σ3 ） 静水压力状态可看作常规三轴状态的一 种特殊情况。岩石在各向相等的压力作用下 发生体积压缩变形，一般采用体积模量表征 岩石在静水压力下体积变形的特性。
§5.1
概述
一. 岩体的力学性质——岩体在力的作用下
所表现的性质 ①变形性—— 岩体承受力的作用而发生
包括：
变形的性能
②抗破坏性——岩体抵抗力的作用而保持
其自身完整性的性能
注意：1.岩体的变形和破坏不是两个截
然分开的阶段，而是一个统一的、连续的 过程，破坏是累进性的。 2.岩体的力学性质是由结构体（岩石） 和结构面的力学性质共同决定的，二者在岩 体力学性质中各自所占的地位，与岩体的完 整性有关。但当破坏面部分沿已有裂隙，部 分通过完整岩石时，并不能将岩石力学性质 和结构面力学性质按照它们在破坏面中各自 所占的比例简单地进行加权，用以表征岩体 的力学性质。参考《岩石力学》。
σ
B
C
A
0
εa
50 100 150 200
O 0
岩石典型的全应力－应变曲线
并非所有岩石都有以上明显的变形阶段
250 200 150

§5.1 岩石的动态特性和可爆性
本节主要介绍：
岩石的物理性质、 岩石爆破荷载特性、 爆炸荷载下 岩石的强度特性、 岩石的可爆性及可爆性分级。
1、岩石的物理性质（从反应爆破特征和爆破破碎角度解释。）
1）空隙度——指岩石中各空隙的总体积 V0 与岩石总体积 V 之比。
空隙的存在削弱了岩石的强度。


全国工程爆破技术人员统一培训内容
爆破设计与施工
（6）
中国工程爆破协会 编 汪旭光 主编
冶金工业出版社 （2011）
第六章 岩土爆破理论
6.1 岩石爆破理论的发展 6.2 岩石中的爆炸应力波 6.3 岩石中的爆炸气体 6.4 岩石的爆破破碎机理 6.5 爆破漏斗理论 6.6 装药量计算原理 6.7 露天台阶爆破的破碎机理 6.8 土中爆破机理 6.9 影响爆破作用的因素 6.10 爆破过程的数值模拟 6.11 精细爆破
§5.3 岩石爆破破碎机理
本节介绍：岩石爆破破碎机理的几种假说； 爆破的内部作用和外部作用。
1、岩石爆破破碎机理的几种假说
爆生气体膨胀作用理论（静作用理论） 爆炸应力波反射拉伸作用理论（动作用理论） 爆生气体和应力波综合作用理论
1）爆生气体膨胀作用理论 该学说从静力学观点出发，认为岩石的破碎主要是由于
不偶合系数较小的条件下，应力波的破坏作用是 主要的；
③ 在松软岩石、低猛度炸药、装药不偶合系数 较大的条件下，爆轰气体的破坏作用是主要的。
2、爆破的内部作用和外部作用
介绍两个概念： 自由面——又叫临空面，是指同空气接触的岩石表面。 最小抵抗线（W）——自药包中心到自由面的最短距离。 最小抵抗线是爆破作用岩石移动的主导方向。 Wc为装药的临界抵抗线。

2)隧洞掘进爆破（柱状装药）孔壁压力计算
炮孔岩石壁受到的冲击压力
式中为db dc 分别为炮孔直径和装药直径， lb lc分别为炮孔长度 和装药长度
3)硐室爆破、光面爆破孔壁压力计算
如果装药与药室之间存在较大的间隙（如：硐室、光面爆破装 药），则爆轰产物的膨胀宜分为高压膨胀和低压膨胀两个阶段。 当气体产物压力大于临界压力时，为高压膨胀阶段，膨胀规律为 PV3=常数，当气体产物压力小于临界压力时，为低压膨胀阶段， 膨胀规律为PVx=常数（x=1.2~1.3）。临界压力pcri 为
式度中。Cp为岩石中的弹性波速度；r 为岩石的密度； D1为爆轰波速
2)不耦合装药时传入岩石中的爆炸载荷
不耦合装药情况下，爆轰波首先压缩装药与药室壁之间间隙内的 空气，引起空气冲击波，而后再由空气冲击波作用于药室壁，对 药室壁岩石加载。为求得这一载荷值，先做3点假定： （a）爆炸产物在间隙内的膨胀为绝热膨胀，其膨胀规律为PV3= 常数，遇药室壁激起冲击压力，并在岩石中引起爆炸应力波。 （b）忽略间隙内空气的存在。 （c）爆轰产物开始膨胀时的压力按平均爆压Pm计算，即有：
3)不耦合装药类型：除不耦合装药外，也采用轴向 留有空气柱的空气间隔装药，分别用装药不耦合系 数和装药系数来表述各自的装药充满程度。
不耦合系数定义为：
4)不耦合系数： 5)装药系数： 式中k 为装药不耦合系数；
为装药系数；
db和dc分别为药室直径和药包直径； lb和lc分别为药室长度和药包长度。
实践表明，并非在所有岩石中都能生成冲击波，这取决于炸药与 岩石的性质。对大多数岩石而言，即便生成冲击波，也很快衰减 成弹性应力波，作用范围也很小，故有时也近似认为爆轰波与炮 孔壁岩石的碰撞是弹性的，岩石中直接生成弹性应力波（简称应 力波），进而按弹性波理论或声学近似理论确定岩石界面上的初 始压力。根据声学近似理论可推得

（1）排水剪：图及试验结果见第四章第二节 （2）不排水剪： 详细讨论见第五节
(1 3)
密实 中密
u
100 50
松
0
松
-50
密实 中密
-100
0
轴向应变 1 (%)
0
轴向应变 1 (%)
图2051-91/111/1不3 排水剪切的应力-应变-孔岩土压力关学系曲线
（二）破坏包线和抗剪强度指标 1．从应力-应变关系曲线寻找破坏时 的偏差应力 (13)f 的方法有三种 （1）取曲线的最大偏差应力值
式中 E——材料的弹性模量
v——材料的泊松比
w f ——畸变能的极限值 3．莫尔——库伦理论
，
w f f(I1 ) (I1123 )
2019/11/13
图5-5 固定剪切面的剪切试验
岩土力学
（1）库伦公式基本形式（总应力抗剪强度公式）
式中
f ctg
f ——剪切破坏面上的剪应力，即土的抗剪强度
平面应变试验仪 真三轴试验仪 空心圆柱扭剪试:验 研仪 究各向同性土体
2019/11/13
岩土力学
二、直剪试验
（一）试验设备和试验方法 设备：应变控制式直接剪切仪 取破坏时的正应力和剪应力值作出 f 曲线
f 取值： Байду номын сангаас剪应力—剪变形曲线峰值为 f
f 取值： — S曲线之终值

3)

1 2
1
应力路径：直线 p=q
Kf
a
450
p
图5-13 排水剪切应力路径
*破坏主应力线 K ，f ——破坏点的连线
2019/11/13
岩土力学
2．三轴不排水试验 a. 总应力（不考虑 u） 增加 1 ，3 0