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論文中文名稱:爆破衝擊下的岩石破裂過程之高速影像分析 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:HIgh-Speed Image Analysis of the Rock Fracture Process under the Impact of Blasting [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:工程科技研究所
畢業學年度:100
出版年度:101
中文姓名:湯銘文
英文姓名:Min-wen Tang
研究生學號:92679006
學位類別:博士
語文別:中文
口試日期:2012-07-03
論文頁數:175
指導教授中文名:丁原智
口試委員中文名:翁祖炘;王泰典;張瑞麟;李進興
中文關鍵詞:高速攝影岩石爆破損傷
英文關鍵詞:High-speed photographyrock blastingfailure mechanism
論文中文摘要:良好的爆破效果一直都是從事爆破的工程人員和研究人員所追求的。然而,由於爆破歷時短、功率大等原因,人們很難清楚地認識爆破過程並控制好爆破效果。高速攝影技術為研究炸藥爆轟理論、岩石爆破破碎機理、確定爆破最佳爆破參數、分析爆破效果等提供了很有意義的科學依據。
本研究經不斷嘗試與修正,終於完成以每秒約3萬張(每張間格約32μs,曝光時間4μs)之高速攝影拍攝爆破試驗數次,拍攝所得提供了一些可以觀察岩體在爆破衝擊下其裂隙產生、發展及其衰減程度及氣體膨脹壓力場與原岩應力作用下之破壞過程之清晰影像。經觀測結果發現爆破後之氣體膨脹率約於200μs時達到最大值,之後即逐漸衰減;至於爆破後岩體碎裂之發展速率,約於130μs達到最大值,此時也是二次裂紋發展之初期。而其後之衰減速率較為平緩,符合現代岩石爆破損傷斷裂理論之推論。惟因炸藥爆炸是一個物質的化學反應過程,其反應過程所需耗費之時間未能確定,導致爆破之起始時間無法確定。
本研究在爆破與攝影之同步作業上,亦控制不良,故觀測結果,僅能依據震波到達表面時之細微變化及裂紋呈現來推算,涉及主觀判斷。要克服這個盲點,尚須大量實驗來解決。另因岩石爆破之過程屬三維空間的破壞,而高速攝影僅能提供岩體破壞過程之表面現象,故對這種非常複雜而困難的爆破機制理論研究,仍有其侷限性。
論文英文摘要:The good blasting effect has always been pursued by engineering personnel and researchers engaged in blasting. However, due to the short duration of blasting, high power, and other reasons, it is difficult to clearly understand the blasting process and control the blasting effect. High-speed photography provides a meaningful scientific basis for studying the explosives detonation theory and rock blasting fracture mechanism, determining the best blast parameters of blasting, and analyzing the blast effect.
After continuous trials and correction, this study finally completed the high-speed photographical shots of approximately 30,000 (each grid was about 32μs, and exposure time was 4μs) frames per second several times in the blasting tests. The clear images showed the generation, development, and decay extent of fissures of rock under the impact of blasting, the failure process under the gas expansion pressure field, and the original rock stress. Observations found that the gas expansion rate after the blast reached the maximum at about 200μs, and after that gradually decayed; as for the rock fracture development rate after blasting, it reached the maximum at about 130μs, which is also the early period of the secondary crack development, while the subsequent decay rate was relatively flat, in line with the inference of modern rock blasting failure and fracture theory. However, as the detonation of an explosive is a chemical reaction process that requires an undetermined amount of time, the start time of the blast cannot be determined. This study in the synchronous operation of the blasting and photography also had a poor control. So, the observations can only be calculated based on subtle changes when the shock wave reached the surface, and the presence of cracks, involving subjective judgment. To overcome this blind spot, a large number of experiments must be done. Also, as the rock blasting process is due to the failure of three-dimensional space, and the high-speed photography can only provide a surface phenomenon of the failure process of rock mass, the theoretical research on this complex and difficult blasting mechanism still has its limitations.
論文目次:目錄
第一章 緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2研究目標 2
1.3研究內容及方法 2
1.3.1研究的主要內容2
1.3.2主要研究步驟 3
第二章 文獻回顧 5
2.1岩石爆破斷裂機制理論 5
2.1.1裝藥在固體介質中爆炸的破壞現象 5
2.1.2 爆炸衝擊波、應力波在固體介質內部的破壞作用原理 8
2.1.3爆炸衝擊波、應力波在自由面影響下的破壞作用原理 13
2.1.4爆炸氣體靜壓與爆炸應力波的綜合破壞作用原理 16
2.2高速攝影技術在爆破工程中的研究 20
2.2.1高速攝影技術在炸藥研究中應用 20
2.2.2高速攝影技術在岩石爆破破壞機制理論之研究 21
2.2.3高速攝影技術在岩石爆破運動規律研究中應用 23
2.3爆炸荷載作用下岩體中裂隙擴展規律的研究 24
第三章研究過程與試驗 29
3.1爆破過程高速攝影方法 29
3.1.1高速攝影技術的特點 29
3.1.2攝影測量學基本原理 30
3.1.3高速攝影的探討 31
3.1.4高速攝影機的基本性能參數 34
3.2高速攝影基本性能參數的確定 36
3.2.1攝影機的鏡頭焦距和物距的確定 36
3.2.2曝光時間和快門速度確定 37
3.2.3攝影頻率與運動物體關係 38
3.2.4解析度與最小可識別物件問題 39
3.2.5記錄模式選擇 39
3.2.6攝影機與被拍攝現象同步 40
3.2.7攝影時的照明 40
3.3實驗規劃 42
3.3.1爆破試體 43
3.3.2爆源: 45
3.3.3高速攝影機: 45
3.4爆破模型 46
3.4.1爆破模型的發展歷程 46
3.4.2岩石爆破理論模型 48
3.5岩石爆破過程之數值分析 59
3.5.1數值模擬方法及模型建立 60
3.5.2應用LS-DYNA3D之爆炸模擬分析 61
3.5.3岩石爆破之數值模擬 75
第四章 實驗結果與討論 81
4.1爆破氣體發展過程分析 81
4.1.1炸藥爆炸反應的過程與爆容 81
4.1.2炸藥爆炸氣體膨脹過程觀測 83
4.1.3炸藥爆炸氣體膨脹過程觀測結果探討 94
4.2爆破裂紋發展過程分析 95
4.2.1爆破裂紋發展機制 95
4.2.2爆破裂紋發展過程觀測 97
4.2.3岩石爆破破壞介面上的應力時程探討 116
4.2.4爆炸近區衝擊波對岩體作用 121
4.2.5爆破空腔和粉碎區範圍探討 121
4.3岩石爆破裂隙的形成與發展探討 125
4.3.1裂紋發展形式 125
4.3.2爆炸荷載下岩石中裂隙的起裂、擴展和止裂 127
4.4觀測與探討結果分析 146
4.4.1氣體膨脹之觀測結果 146
4.4.2爆破過程之表面裂紋觀測結果 147
第五章結論與展望 151
5.1結論 151
5.2展望 153
參考文獻 157
附件 163
一、實驗B-2爆破過程之影像紀錄 163
二、實驗B-3爆破過程之影像紀錄 167
三、實驗B-4爆破過程之影像紀錄 170
符號彙編 173
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論文全文使用權限:同意授權於2012-07-18起公開