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深部岩体开挖爆破与瞬态卸荷耦合作用效应

杨建华  
【摘要】:水电工程建设、矿藏资源深部开采和核废料地质处置等工程领域均涉及深部高地应力岩体爆破开挖。爆破过程中开挖边界上的岩体应力在岩体爆破破碎瞬间释放为动态力学过程,以传统准静态卸荷假设为前提的力学分析理论体系已无法圆满解释深部岩体爆破开挖过程中出现的岩爆、突发大变形、诱发微地震等变性破坏新现象。因此,研究深部岩体开挖瞬态卸荷作用机制及力学效应,对加深开挖扰动区的形成机理与演化规律认识、优化深部岩体爆破开挖设计、控制工程灾害等方面均具有重要的理论意义和工程实用价值。 论文针对深部岩体爆破开挖过程中爆炸荷载与地应力瞬态卸荷耦合作用效应问题,采用理论分析、数值计算和工程验证相结合的方法,开展了系列研究,所取得的主要研究成果如下: 基于爆炸力学、断裂力学、流体力学等基本理论,通过分析炸药起爆后爆轰波传播、炮孔空腔动力膨胀、炮孔周边裂纹扩展、炮孔堵塞物运动以及炮孔内爆生气体高速逸出等过程,从理论上推求了基于爆源作用力学机制的柱状装药炮孔爆炸荷载压力变化历程。 深部岩体爆破开挖过程中,开挖面上地应力瞬态卸荷伴随着爆破破岩裂纹扩展、爆生气体逸出以及新自由面形成等过程而发生。岩体开挖瞬态卸荷力学过程可采用分步开挖荷载幅值、卸荷起始时刻、卸荷持续时间及卸荷方式4个参数描述。当炮孔内爆炸荷载压力衰减至与开挖面上的地应力大小相等时,开挖面上宏观卸荷效应开始发生,随着爆炸荷载压力进一步衰减至大气压时,开挖面上地应力卸荷同步完成。对于深埋隧洞全断面开挖浅孔爆破,地应力瞬态卸荷持续时间为2~5ms;中、高地应力条件下,地应力瞬态卸荷引起的围岩应变率达到10-1~101s-1,为一个动态力学过程。 提出并建立了爆炸荷载与岩体开挖瞬态卸荷耦合作用计算模型,采用动力有限元数值计算研究了爆炸荷载、地应力瞬态卸荷及二者耦合作用下围岩应力场的动态时空变化规律。结果表明:与静态二次应力场相比,开挖面上地应力瞬态卸荷在围岩中产生了附加动应力,导致围岩径向卸载和环向加载效应放大,附加动应力大小与地应力水平、开挖面大小和卸荷速率等因素密切相关;深部岩体爆破开挖,围岩首先受到爆炸荷载作用的扰动,径向应力和环向应力先增大后减小,紧接着受到地应力瞬态卸荷附加动应力产生的扰动,径向应力和环向应力先减小后增大,最后稳定于二次分布的应力状态,动载耦合作用对围岩应力场扰动以爆炸荷载作用为主。 通过建立动静载耦合作用下的岩体损伤模型,研究了爆破反复开挖动力扰动作用下深部围岩的损伤机制与演化规律。深部岩体爆破开挖过程中的围岩损伤由重分布的静态二次应力、爆炸荷载以及开挖面上应力瞬态卸荷附加动应力共同作用引起。爆炸荷载作用下,围岩主要表现为张拉损伤破坏,地应力相当于提高了岩体抗拉强度,对爆破张拉效应起抑制作用。随着地应力水平的提高,开挖卸荷导致岩体产生压剪损伤破坏,爆炸荷载产生的岩体损伤仅限于围岩表层,开挖卸荷是围岩中大范围损伤区形成的主要原因。相比于准静态卸荷,开挖面上地应力瞬态卸荷产生的损伤范围更大,且随地应力水平、开挖面大小和卸荷速率的增大而增长。 采用数值计算研究比较了不同动荷载激发围岩振动的质点峰值振动速度传播衰减规律和频谱特性。计算结果表明,深部岩体爆破开挖产生的围岩振动由爆炸荷载和开挖面上地应力瞬态卸荷共同作用引起,在爆源近区以爆炸荷载作用为主,但爆炸荷载激发振动的频率高,其质点峰值振动速度随距离衰减快,高地应力条件下,在中远区地应力瞬态卸荷将超越爆炸荷载成为引起围岩爆破振动的主要因素。 利用小波变换时能密度分析和幅值谱分析方法,并结合爆破振动全历程数值模拟,对高地应力区地下岩体爆破实测围岩振动进行了分析,识别并分离了地应力瞬态卸荷激发的围岩振动。深部高地应力岩体爆破开挖产生的围岩振动信号的幅值谱具有两个优势频带,振动的低频成分主要由开挖面上地应力瞬态卸荷引起,而高频成分主要由爆炸荷载引起,以优势频带的分界点作为截至频率的滤波方法可初步实现爆炸荷载与地应力瞬态卸荷激发振动的分离。计算和分析结果证实了地应力瞬态卸荷作用及其动力效应的存在,同时也验证了本文理论分析和数值计算的可靠性。


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