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超临界CO2相变冲击波作用下地表面振动效应研究
| 论文题名： | 超临界CO2相变冲击波作用下地表面振动效应研究 |
| 关键词： | 航道破岩;航道清礁;超临界二氧化碳;相变冲击波;地表振动效应 |
| 摘要： | 随着船舶大型化，长江干线各省份需要进一步提升航道等级，拓宽航道尺度，必然需要除礁破岩，在越来越注重生态环保、实现“双碳目标”的建设环境下，传统乳化炸药炸礁的生态危害突出。超临界CO2相变致裂技术作为一种低振动、低噪声、无污染、安全环保的非化学炸药破岩新技术，可有效解决破岩清礁问题。但由于CO2相变致裂技术用于清礁的时间较短，相变膨胀诱发冲击波在岩石介质中的衰减机制研究尚不完善，CO2致裂冲击波引起的地表振动特征研究鲜有开展。本文通过理论分析、现场试验以及数值模拟等手段，对超临界CO2相变致裂冲击各阶段的状态参数进行理论计算，分析不同类型致裂管相变膨胀诱发冲击波在岩石介质中的衰减规律和冲击波引起的地面振动规律。主要研究成果如下： （1）结合超临界CO2相变致裂的基本原理，自主研发了超临界CO2致裂试验装置，实现CO2充装压力、充装质量和温度的精确控制，通过CO2致裂管膛压试验，获得了超临界CO2相变致裂过程的膛压参数。 （2）将超临界CO2视为理想气体，依据流体动力学理论的质量守恒、动量守恒和能量守恒原理，建立相变膨胀整个过程的冲击波状态方程，获得不同致裂管类型、不同剪切片厚度下的相变冲击特性参数（破裂压力、冲击波波速、透射冲击波速、入射岩体应力）。基于冲击波的几何扩散性、Snell定律，建立了相变冲击作用下岩石介质冲击应力波衰减方程，分析了不同阻尼岩石的应力波空间衰减规律，表明冲击应力波在岩石中呈指数衰减关系。 （3）将CO2致裂引起的冲击波简化为柱面波，推导出了时域范围内的距离爆源不同距离处的地表质点振动速度计算公式，并通过MATLAB编制了计算程序，发现：地表振动速度大小受体波到达该点引起的振动以及相邻质点间速度差产生的二次面波叠影响，当面波的叠加间距小于0.1m时，能保证计算结果收敛。 （4）利用LS-DYNA建立数值计算模型，对比分析了基于时域递归法的地表振动理论分析和数值模拟结果，验证了时域递归法的准确性。对超临界CO2相变致裂在不同爆炸压力，不同最小抵抗线、不同钻孔半径下的地表质点振动规律进行了分析计算。并对比分析了等当量情况下炸药爆炸与超临界CO2致裂引起的质点振动速度差异，发现，相变致裂的地表振动速度仅为等当量炸药爆破的1/78,CO2致裂技术的减振效应明显。 |
| 作者： | 刘露 |
| 专业： | 水利工程 |
| 导师： | 阿比尔的 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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