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《昆明理工大学》 2007年
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长大隧道岩爆灾害的岩石动力学机理及其控制

黄锋  
【摘要】: 本文首先概述了岩爆研究的现状,然后以弹性动力学理论为基础,借助动态光弹性实验和有限元数值模拟手段,以探求岩爆的岩石动力学机理和相对应的岩爆控制方法为日的,取得了以下几个方面的成果: (1)分析了岩石静力学理论在岩爆研究中的具体应用,以及在解释若干岩爆现象和指导岩爆预测及控制上存在的局限性,指出探求岩爆灾害的岩石动力学机理的必要性和迫切性。 (2)弹性动力学理论的分析表明,隧道爆破对当前炮次围岩的扰动主要以冲击波为主,在达到爆破破岩的同时,当前炮次围岩内也形成了大最损伤裂缝:对既有炮次围岩的扰动以弹性波为主,适合用经典的“Lamb点(或线)源问题”来分析,爆破产生的应力波中,对岩爆形成有突出贡献的是压缩P波和表面Rayleigh波,其致裂作用和传播规律是岩爆发生的重要因素之一。 (3)利用Ansys有限元分析软件,研究了自重和爆破荷载共同作用下,隧道围岩的响应问题。静力分析结果表明:在自重应力场作用下,隧道轮廓面周围出现了明显的应力恶化现象,基本满足弹性解析,但仍远小于围岩的破坏强度,发生岩爆的可能性很小。动力分析结果表明:在爆炸应力波的扰动下,围岩应力和位移均发生了明显的波动,最大振幅是平衡状态下的数倍,可导致围岩受拉和剪切破坏,这与岩爆的微观破裂机制一致,应力集中最大处距离掌子面约1倍洞径,这很好满足了岩爆与爆破间的空间关系,强扰动带的深度约为1倍Rayleigh波波长,表明Rayleigh波对围岩扰动的控制性作用。 (4)动态光弹性实验方面,Lamb线源问题的模拟实验表明:模型表面倾斜加载时,模型内传播了P波、S波和Rayleigh波,三种应力波相互作用,在模型中上部位形成较大应力集中;岩爆追踪现象(Lamb点源问题)的模拟实验表明:平行模型表面加载时,模型内仅传播了P波,说明岩爆事件本身对母岩的冲击扰动,主要以P波扰动为主;横向切槽的模拟实验表明:横向切槽对于Rayleigh波,可以实现大部分的拦截,对于P波,主要是延长了应力波的作用时间,减缓了爆破能量的传递。 (5)综合弹性动力学理论的分析以及数值试验和动光弹实验的结果可知,P波和Rayleigh波的致裂作用和传播规律是岩爆发生的重要因素之一,一次或多次的动力扰动是岩爆发生的必要条件,而非简单的高地应力下的激发作用,完整的岩爆机理应该是“完整硬脆性岩体+较高地应力+(一次或多次)动力干扰”。
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:U451.2

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