岩石爆破开挖诱发振动的等效模拟方法

岩石爆破开挖过程中爆炸荷载的复杂性、岩石介质模型的多变性、本构方程的多样性、以及群孔爆 破模拟计算工作量巨大等诸多因素使得准确模拟爆破诱发的围岩振动存在较大的困难,鉴于此提出一种等 效数值模拟方法。根据爆破过程炮孔周围岩石破坏范围的空间分布特征,确定群孔起爆条件下爆炸荷载作用 的等效弹性边界;通过分析炸药起爆后炮孔空腔动力膨胀、岩体裂纹扩展、炮孔堵塞物运动以及爆生气体的逸 出,计算了等效边界上沿炮孔轴向变化的爆炸荷载。结合瀑布沟水电站1# 尾水隧洞爆破开挖监测,基于动力 有限元法运用该等效技术模拟了围岩的质点振动速度。数值模拟与现场实测数据的对比表明该等效模拟技 术用于岩石爆破开挖围岩响应的计算是合适的。计算结果同时还显示,等效边界邻近岩体力学参数的选取对 计算结果有重要影响。     

循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化的模型实验

针对推进式循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化问题,按照相似比理论进行模型实验研究,实验模型采用1:15比例浇筑制成。通过模拟隧道推进式循环爆破开挖方式,以同一测点处爆破前后岩体声速变化评价隧道围岩损伤程度,探寻爆破参量变化对振动效应的影响,探索围岩损伤演化与爆破次数之间的关系。研究结果表明:在最大段药量大致相同情况下,起爆段数对萨道夫斯基公式的介质系数K影响很小,而对萨道夫斯基公式的衰减系数α影响较大;隧道在推进式循环爆破开挖下,同一深度距离爆区相同的测点,其声速降低率存在较大差异,围岩的爆破损伤范围在深度和广度方面均具有典型的各向异性特征;当爆炸参量基本相同时,不同循环爆破开挖下测点的累积声速降低率呈非线性增长趋势;在推进式循环爆破加载下,围岩爆破累积损伤量D与爆破次数n之间存在非线性演化特性,不同的测点具有各自的爆破累积损伤扩展模型,距离爆源越近爆破损伤扩展越快,围岩爆破累积损伤效应具有典型的非线性演化特性和各向异性特征。     

多次爆破荷载作用下大荒沟小净距隧道围岩岩体位移响应

以丹东-通化高速公路大荒沟隧道进行的爆破振动监测数据为依据,采用FLAC-3D软件,分析了多次爆破荷载作用下大荒沟隧道小净距段围岩位移响应规律。根据爆破振动监测数据,考虑了竖向和横向质点运动在爆破荷载作用下的耦合效应,模拟左、右洞在6次爆破开挖下的隧道围岩位移响应,同时进行小净距隧道围岩岩体疲劳损伤声波监测,将爆破振动模拟结果和工程实测岩体疲劳损伤声波监测结果进行比较。分析表明:随着爆破循环开挖的进行,围岩处于稳定状态,在排除爆破加载左洞及右洞先后顺序的影响后,岩体损伤及围岩位移偏移以间柱为对称面呈现一定的对称性。同时,随着爆破掘进进行,隧道围岩监测处距爆破中心距离增大,测点处爆破应力波的强调度降低,围岩岩体疲劳损伤及位移偏移增量减少并最终趋于稳定。     

考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程研究

针对岩石爆破爆炸荷载历程中未联合考虑岩石爆破动态过程和炮孔周围岩体破坏分区的不足,开展了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程及其适用性研究。联合岩石爆破动态过程和岩体破坏分区的理论解,推导了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式,比较了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程与实测炮孔爆炸压力曲线,开展了单孔爆破现场试验和相应条件下3种爆炸荷载工况的数值模拟,并对爆破振动现场实测和数值模拟结果进行了对比。研究结果表明：考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程包括上升段和衰减段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,上升段持续时间极短,衰减段持续时间较长且主要由填塞情况控制;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程理论计算结果与实测炮孔爆炸压力曲线的变化趋势一致,验证了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式的可靠性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载工况下,单孔爆破振动波形的数值模拟结果与现场实测结果的主要特征一致,该荷载工况下质点峰值振速计算结果与现场实测值偏差率最小,绝大部分在7%以内,表明了其应用于数值模拟的优越性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载可随岩石爆破系统条件的变化而动态调整,其可靠性好、适应性强、应用效果佳。     

轮廓爆破下柱状节理岩体开裂过程的数值模拟

以白鹤滩水电站柱状节理玄武岩为研究对象,根据现场的柱状节理分布统计资料生成数值模型,模拟边坡开挖轮廓爆破下柱状节理岩体的开裂过程。结果表明:轮廓爆破时,柱状节理面对岩体裂纹的发展起着导向和控制作用;爆炸荷载作用下炮孔周围的节理面首先张开,然后裂缝沿着炮孔连心线附近的节理面扩展,最后形成贯通的由大量柱状节理面连接而成的裂缝;预裂爆破条件下,预裂缝宽度先增大后减少,最后达到稳定的开度,而且预裂爆破在柱状节理岩体中产生的裂纹范围比光面爆破产生的大。     

岩体爆破近区临界损伤质点峰值震动速度的确定

质点峰值振动速度(PPV)是爆破开挖扰动的重要指标,研究确定岩体临界损伤PPV对爆破损伤控制具有重要意义。以溪洛渡水电站640 m高程马道下边坡岩体的爆破开挖为工程背景,依据岩体跨孔声波测试结果,采用基于LS-DYNA的二次开发技术对保留岩体的损伤演化过程进行了数值模拟,结合数值模拟结果研究了爆破近区PPV的分布特征及其与损伤程度的对应关系,结果表明PPV存在门槛值,当PPV大于该值时,岩体的损伤变量从零开始迅速增加至0.8左右,之后随着PPV的增大,损伤增长速度明显减慢,直至岩体完全损伤;分别基于岩体的损伤度、最大拉应力的PPV判据以及近区拉应力峰值与PPV的统计关系等3种方法确定岩体临界损伤PPV,从定量衡量损伤区范围看,常用的基于最大拉应力的PPV判据确定的临界损伤PPV偏小,而其余2种方法确定的临界损伤PPV相对精确。     

应力释放率对超大断面小净距浅埋隧道的开挖影响研究

依托某高速公路隧道工程,基于空间反向荷载法和CRD施工工法,分析了不同应力释放率下浅埋隧道围岩变形及地表沉降规律。得出以下结论:(1)随着应力释放率的增大,浅埋隧道洞周竖向位移及地表沉降明显增大,围岩塑性区范围也明显增大;(2)在小净距浅埋隧道变形计算中,应力释放率越小,左、右幅隧道开挖引起地表相对干扰越大。当应力释放率取50%时,左洞隧道开挖引起的右洞地表隆起值大于其自身开挖引起的位移值,右洞上部地表隆起,最终导致隧道上方公路可能出现拉裂现象。     

水电站地下厂房大型岩体洞室的抗爆性能

通过大量的数值模拟试验,以洞室岩体和混凝土衬砌结构的损伤为指标,研究了水电站地下厂房这类大型岩体洞室在强地表爆破荷载作用下,洞室埋深、围岩岩体强度和地应力对洞室抗爆性能的影响。数值计算中,洞室岩体和混凝土衬砌均采用弹塑性损伤本构模型,同时考虑了几何非线性效应。研究结果表明:对于水电站地下厂房这类高边墙洞室,浅埋深洞室的抗爆性能较差,深埋深洞室的抗爆性能较强;岩体强度越高,洞室的抗爆性能越强;当地应力侧压因数λ1时,随地应力侧压因数的增大,洞室的抗爆性能显著下降。 更多还原     

岩体爆破松裂区的损伤机制及其数值模拟

用损伤力学处理方法着重研究爆破运区岩体的松裂机制，建立其损伤发展方程与本构模型。在二维限差分计算程序（Ｓｈａｌｅ）中嵌入伤模型后，实现了岩体爆破松裂区数值模拟。对三峡工程左岸坝基岩体小药量爆破试验和清江隔河岩工程的开挖爆破进行了模拟计算，其结果与相应的实测数据吻合，模拟相对误差小于１３．３％。     

时序控制预裂爆破参数优化及应用

针对白鹤滩水电站地下厂房的爆破开挖,为降低爆破对岩体的损伤,采用数值模拟与现场试验研究小孔径时序控制预裂爆破中,后爆孔孔间延期时间及后爆孔孔距对时序控制预裂爆破成缝的影响,从而获取合理的延期时间和最佳的后爆孔孔距。研究结果表明,孔径为42mm的时序控制预裂爆破,先爆孔孔距为35cm时,合理的起爆延期时间为75~100μs;综合考虑炸药爆炸能量利用率和成缝效果,最佳的后爆孔孔距为70cm。科学地采用时序控制预裂爆破不仅可以减小钻孔工作量与炸药用量,还能降低对岩体的损伤,可为地下厂房爆破开挖安全、高效的进行提供一条有效的途径。     

小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究

从爆破施工的特点入手，对小间距隧道在采用典型双侧导坑法时的爆破施工动力效应进行了数值模拟研究，给出了爆破施工在已有洞室周边产生的动力效应的一般规律，指出在爆破（后开挖洞室）开挖影响区以内，合理确定已有洞室二次衬砌施作时间的重要性，并给出了爆破施工对已有洞室稳定性影响较大的关键开挖位置。研究表明，爆破动载荷对小间距隧道围岩稳定性的影响主要表现为爆炸应力波造成围岩临空面的反射拉伸破坏，破坏较严重的是已有洞室的迎爆墙、拱脚、拱顶等部位。所得结论对小间距隧道爆破施工有一定的参考价值。     

爆炸冲击载荷作用下岩石的损伤实验

基于声波测试原理,利用RSM-SY5智能型声波仪,对某露天矿围岩在爆破冲击荷载作用下产生的损伤进行了现场实验研究。研究结果表明:爆破冲击荷载对距离爆源7 m范围内的岩石会造成损伤破坏,其损伤程度随着岩石与爆源距离的增大而减小;岩体声波速度随着爆破次数的不断增加而逐渐降低,多次爆破对岩石具有损伤累积效应;多次爆破的累积损伤不是单次爆破损伤的简单叠加,具有非线性特性,且距离爆源越近爆破累积损伤效应越明显。     

双空孔间距对爆破槽腔断面大小的影响

为了探究空孔间距对巷道掘进掏槽爆破效果的影响,基于大红山铜矿某巷道建立有限元数值模型,计算双大直径空孔不同布孔间距条件下的掏槽爆破成腔断面积,并对最优方案开展现场验证。研究结果表明:空孔间距d_v=15 cm时,槽腔断面积为0.1641 m2;当d_v增加到d_v=25 cm时,槽腔断面积为0.2116 m2,断面积增大28.94%;当 d_v增加到35 cm时,槽腔断面面积为0.2436 m2,断面积增大15.1%;但当d_v增大到45 cm时,槽腔面积为0.1740 m2,断面积减小17.8%;当d_v增大到55 cm时,槽腔面积为0.0951 m2,断面积减小45.3%。对成腔断面积最大的空孔间距d_v=35 cm的布孔方案进行现场试验,2号现场试验测得槽腔断面宽度、高度及断面积分别比模拟结果小4.0%、3.4%和4.98%,多次试验与模拟结果误差均在5%以内,能够为地下巷道掏槽爆破成腔体积预测的数值方法构建提供数据参考。     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

基于损伤-虚拟张拉裂纹模型的地下爆炸围岩破坏规律研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC (Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础上,通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟,分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明:插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足,且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤,能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例,根据数值模拟结果,填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显,破碎区比例半径为0.26 m/kg1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg1/3。随着硐室尺寸的增大,空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用,比例半径达到0.52 m/kg1/3时,可以实现爆炸荷载的完全解耦。     

基于突变理论深埋硬岩隧道的失稳分析

在分析隧道开挖引起围岩扰动和损伤的基础上,运用突变理论探讨了深埋硬岩隧道失稳的机理;基于势能原理,建立了深埋硬岩隧道失稳的尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件。结果表明:深埋硬岩隧道的失稳不仅受岩体特性及所受载荷的影响,而且与围岩中弹性区刚度和塑性区刚度的比值有关;开挖过程中,围岩受扰动和损伤程度越大,岩体完整性系数越小,力学参数指标弱化程度越高,塑性区范围越大,刚度比越小,围岩系统发生失稳的可能性就越大。工程实例分析表明,分析结果与实际经验基本一致;研究成果可为预防隧道失稳、采取合理的施工工艺和支护措施提供参考依据。     

节理岩体的爆破松动机理

利用应力波理论对节理岩体的爆破松动机理进行了探讨,同时利用动力有限元数值模拟方法验证了理论分析结果。研究表明,爆破荷载的加载阶段对岩体的挤压蓄能和快速卸载阶段的弹性回复是岩体产生后续松动位移的根本原因;节理岩体的爆破松动在开挖面的法向表现为岩体的剪切错动,在平行于开挖面方向表现为结构面的张开;拉格朗日坐标下的动力有限元数值方法,如ANSYS/LS-DYNA程序,能够较好地用来模拟节理岩体的爆破松动过程。