循环爆破荷载作用下小净距隧道围岩累积损伤特性研究

明确多循环爆破推进情况下小净距隧道围岩损伤演化特征有助于施工安全和围岩稳定.依托福州地铁2号线某区段小净距隧道工程,基于LS-DYNA完全重启动技术,结合现场中夹岩声波测试结果,研究循环爆破荷载作用下该区段小净距隧道5个开挖进尺内围岩的累积损伤演化过程.结果表明:围岩损伤范围和损伤程度随爆破加载次数增加而增加,每一循环爆破荷载下各段别均对围岩有不同程度损伤,MS7和MS9段爆破荷载对围岩损伤最大;实测和模拟结果表明在多次爆破后中夹岩体损伤沿测孔深度方向呈圆角的斜"L"形状,近爆破处岩体损伤较大于远爆破侧;在同一监测断面内围岩的累积损伤尤以段间爆破加载损伤程度最大,随着隧道开挖推进岩体的损伤范围逐渐趋于稳定,监测断面9m范围外的爆破扰动基本不再对监测部位围岩造成损伤.研究成果可为现场围岩的加固提供参考,也可为类似工程的提供理论依据.     

爆炸荷载作用下围岩累积损伤效应的数值分析

巷道爆破开挖推进过程中,循环爆破开挖的多次扰动作用使保留岩体产生累积损伤,导致岩体力学参数的弱化,从而造成工程岩体的宏观失效。利用ANSYS/LS-DYNA的重启动技术,通过损伤云图和损伤变量D的变化,对圆形巷道循环进尺过程中爆破作用下的岩体累积损伤效应进行研究。计算结果表明:随着掌子面推进爆破次数的增加,围岩的损伤程度加深,但影响深度变化较小;在装药量和爆心距不变的情况下,损伤量与爆破次数之间有很好的非线性关系,即爆破损伤的累积具有非线性特性。     

循环爆破荷载作用下小净距隧道中夹岩的累积损伤特征分析

为了研究循环爆破荷载对小净距隧道中夹岩的影响,以六月田分岔隧道为工程背景,采用LS-DYNA有限元软件建立分岔隧道的三维模型。基于HJC本构模型,通过引入损伤变量,模拟循环荷载作用下小净距隧道保留岩体的累积损伤演化过程,探讨中夹岩累积损伤程度、损伤范围与爆破次数之间的关系;在此基础上,根据损伤区质点振速衰减规律,通过数据拟合,建立单次爆破装药量、最大损伤范围与临界损伤峰值质点振速之间的函数关系;最后利用现场的声波测试结果与数值模拟结果进行对比,验证数值模拟结果的合理性和准确性。研究结果表明,数值模拟结果与现场测试结果较为吻合,最大损伤范围出现在中夹岩的拱肩;相比单次爆破,循环多次爆破开挖造成的累积损伤范围明显增加,临界损伤峰值质点振速显著降低。     

循环爆破作用下岩体的不同步累积损伤测试方法

为了提高循环爆破载荷作用下岩体累积损伤测试方法的精确度、预测结果的可信值以及控制标准的规范化,提出不同步累积损伤测试方法。采用理论分析与现场实践相结合的方法,基于5次循环爆破载荷作用下不同测孔深度处声波速度的变化规律,依据损伤度与声波速度的关系式,对比分析2种测试方法的累积损伤效应。研究结果表明:循环爆破载荷仅对测孔孔口至1.6 m处岩体区域产生损伤效应,并且垂直于掌子面的剖面区域所受的累积损伤最为严重;不同步测试方法所得的岩体累积损伤效应更加明显,且累积损伤-爆破次数关系曲线更加光滑,由此证明,不同步累积损伤测试方法能够提高测试精度,增加拟合曲线的可信程度,不仅为支护厚度提供依据,而且为支护方向提供参考。     

地下洞室爆破开挖诱发围岩损伤特性及PPV阈值研究

地下洞室爆破开挖产生的围岩损伤主要由爆破荷载和地应力重分布共同作用引起。针对圆形隧洞全断面毫秒延迟爆破开挖过程,采用LS-DYNA有限元数值模拟研究了不同地应力水平下爆破开挖诱发围岩损伤的机理及爆破损伤PPV阈值变化规律。研究表明:地应力对爆破荷载产生的张拉损伤起抑制作用,高地应力条件下,爆破荷载产生的岩体损伤仅限于围岩表层,地应力重分布引起的岩体压剪破坏是围岩中大范围损伤区形成的主要原因;爆破过程中开挖面上地应力瞬态释放所产生的附加动应力也是影响围岩损伤的重要因素,相比于准静态卸荷,地应力瞬态卸荷产生的围岩损伤范围更大;随着地应力水平的提高,岩体爆破损伤的PPV阈值呈先增大后减小的变化趋势,地下洞室爆破安全振动控制标准应考虑地应力状态的影响。     

累积效应下初支混凝土爆破损伤规律研究

为研究初支混凝土在循环爆破荷载作用下爆破损伤的累积效应,通过引入等效距离和等效药量的概念,代替爆心距和最大段药量对萨道夫斯基经验公式拟合得到质点峰值振速的衰减公式,根据爆破损伤经典公式,推导了爆破损伤增量公式。通过分析质点峰值振速和损伤增量随爆破次数和等效距离变化的关系,得到了初支混凝土在循环爆破荷载作用下的爆破累积损伤规律。研究结果表明:累积损伤随爆破次数增加而增大,但损伤增量却逐渐减小,两者变化皆呈现出非线性关系;临近爆源的几组测点在经过循环爆破后初支混凝土的累积损伤已达到损伤界限;损伤增量随等效距离变化的关系与质点峰值振速衰减规律具有相似性,且两者具有较高线性相关性。     

累积效应下初支混凝土爆破损伤规律研究

为研究初支混凝土在循环爆破荷载作用下爆破损伤的累积效应,通过引入等效距离和等效药量的概念,代替爆心距和最大段药量对萨道夫斯基经验公式拟合得到质点峰值振速的衰减公式,根据爆破损伤经典公式,推导了爆破损伤增量公式。通过分析质点峰值振速和损伤增量随爆破次数和等效距离变化的关系,得到了初支混凝土在循环爆破荷载作用下的爆破累积损伤规律。研究结果表明:累积损伤随爆破次数增加而增大,但损伤增量却逐渐减小,两者变化皆呈现出非线性关系;临近爆源的几组测点在经过循环爆破后初支混凝土的累积损伤已达到损伤界限;损伤增量随等效距离变化的关系与质点峰值振速衰减规律具有相似性,且两者具有较高线性相关性。     

硬岩地下洞室工程爆破振动与围岩损伤范围相关性研究

为了简便而准确地获取爆破荷载下硬岩地下洞室围岩损伤范围,以某待建重要地下洞室工程为研究背景,采用理论分析和数值模拟的方法,根据爆破设计方案,建立不同药量条件下多段延时爆破累积损伤计算模型,利用等效爆破荷载的方法和LS-DYNA完全重启动技术,得到多段延时爆破荷载作用下的爆破振动数据和围岩累积损伤范围。分析地下洞室围岩累积损伤效应,研究爆破振动与围岩累积损伤范围之间的相关性。研究结果表明：诱导地下洞室周边围岩损伤的荷载主要来自于二圈孔和周边孔爆破,其中洞室拱顶围岩损伤范围(2.21 m)明显大于拱腰围岩损伤范围(2.05 m);爆破全时程振动曲线的峰值处于掏槽孔延期时间范围内,与造成洞室周边围岩损伤的爆破段位不一致,应以对围岩损伤影响较大爆破段位的质点峰值振动速度研究与围岩损伤范围的相关性;建立了围岩累积损伤范围与爆破药量、爆心距和质点峰值振动速度之间的量化关系,得到了可通过任意爆心距处质点峰值振动速度推断围岩累积损伤范围的函数关系式,为控制围岩爆破损伤提供依据。     

基于分形理论的围岩动静力组合损伤研究

深埋隧洞爆破开挖过程中,爆炸荷载和地应力的共同作用是造成围岩损伤的主要原因,威胁到岩体工程的安全。首先在原有裂纹分形模型基础上,引入最大拉应力理论和应变能密度理论作为联合判据,同时考虑岩体拉伸和压缩损伤对围岩参数的劣化影响,建立适合于高地应力条件下的爆破开挖拉-压剪损伤本构模型。然后将模型成功嵌入到动力有限元数值分析中,对锦屏水电站引水隧洞爆破开挖损伤效应进行动力计算,并与实测数据进行对比。在此基础上研究了相同地应力环境下,不同爆炸装药条件对围岩损伤的影响规律。结果表明:岩体损伤区中,内损伤区损伤程度大,主要受爆炸荷载拉-压剪联合损伤作用;外损伤区,损伤程度相对较轻,主要受地应力影响。当爆炸荷载达到一定量级后,随着爆炸荷载的增大,围岩的损伤区先快速增大,然后增速减缓,但内外损伤区的差值,则是先减小后增大。     

大冶铁矿爆破开采巷道围岩累积损伤规律研究

大冶铁矿东采场采用无底柱分段崩落法开采,频繁的中深孔爆破作业产生的爆破振动不可避免地对巷道围岩产生累积损伤,甚至诱发岩体的失稳破坏.结合大冶铁矿地下开采的生产实际,对其爆破开采所产生的爆破振动进行了监测,并对巷道围岩在爆破振动作用下的损伤累积规律进行了分析.试验数据表明,在单响药量和爆心距变化不大的情况下,随着爆破次数的增加,爆破振动的损伤逐步累积,损伤参数呈对数函数趋势增加.因此,尽管每次爆破诱发的爆破振动都低于《爆破安全规程》的控制标准,但爆破振动对围岩的损伤会不断的累积,不断使岩体的性能劣化,因而应视实际情况在爆破开采至一定次数后对巷道围岩进行检查和加固,以确保生产的安全.     

多次爆破对大跨度硐室围岩的损伤累积及松动圈范围研究

为探究多次爆破作用下,损伤累积效应对大跨度硐室围岩松动圈的影响规律,结合某大跨度硐室爆破工程,采用声波法和钻孔窥视法对其爆破开挖过程中硐室围岩松动圈进行监测,利用现场试验结果分析大跨度硐室围岩损伤累积及松动圈变化规律。结果表明：随着爆破次数的增加,超声波波速不断减小;围岩损伤值增大,但增长速率不断降低,最后逐渐趋于稳定。多次爆破作用后,硐室围岩松动圈半径由原来的2.8 m逐步扩大为3.2 m,且硐室顶部的松动圈对比边墙处较大。因此,在大跨度硐室施工中应重点考虑硐室顶部的围岩稳定性,且在围岩支护和安全防护时应充分考虑多次爆破造成的围岩损伤累积效应对围岩松动圈半径变化的影响。     

溶洞规模对深埋隧道爆破围岩稳定性的影响

为了研究埋岩溶隧道爆破开挖时围岩损伤机制,通过动静组合(爆炸荷载、地应力共同作用)作用下岩体损伤演化方程建立应力场与损伤场之间的耦合关系,并根据渗透系数随损伤的变化方程建立动静组合作用下岩体渗流-应力-损伤耦合模型。利用COMSOL Multiphysics软件建立计算模型并进行二次开发,研究在不同溶洞空间位置及尺寸条件下爆破开挖对围岩稳定性的影响。研究表明:当溶洞位于隧道上侧时围岩中孔隙水压力最大;溶洞半径越大围岩中孔隙水压力越大。在孔隙水压力的作用下,隧道与溶洞间岩体中的有效应力先衰减后增强。随着有效应力的衰减,隧道围岩损伤范围与溶洞围岩损伤范围的变化规律相反。     

爆破荷载作用下隧道围岩损伤范围

爆破荷载作用下岩体不可避免的会产生损伤,为了得到爆破荷载作用下岩体的损伤范围,根据应力波动作用和爆生气体的准静态作用,结合岩石破坏准则,对岩体在爆破荷载作用下的损伤范围进行了研究,得到了两者共同作用下岩体损伤范围的理论计算公式。结合福平铁路新鼓山隧道爆破掘进施工,对隧道周围岩体的爆破损伤范围进行了计算。结果表明,理论公式的计算值与现场实测值较为接近,验证了理论计算公式的合理性。对实际工程具有一定的指导意义。     

爆破荷载作用下隧道围岩损伤范围

爆破荷载作用下岩体不可避免的会产生损伤,为了得到爆破荷载作用下岩体的损伤范围,根据应力波动作用和爆生气体的准静态作用,结合岩石破坏准则,对岩体在爆破荷载作用下的损伤范围进行了研究,得到了两者共同作用下岩体损伤范围的理论计算公式。结合福平铁路新鼓山隧道爆破掘进施工,对隧道周围岩体的爆破损伤范围进行了计算。结果表明,理论公式的计算值与现场实测值较为接近,验证了理论计算公式的合理性。对实际工程具有一定的指导意义。     

爆破振动对岩质边坡累积损伤影响实验研究

通过观测同一地点岩体多次爆破前、后岩体的声速以及爆破振动速度峰值变化规律,由声速测试结合爆破振动测试数据结果计算出岩体损伤系数,实测数据的对比和计算结果表明:在多次爆破振动损伤累积的条件下,爆破振速随岩体的声速呈指数关系衰减.并由声速测试结果确定了边坡在爆破振动作用下的损伤阈值.     

深部围压对岩体爆破损伤范围影响数值分析

深井矿山开采条件下,地应力环境更加复杂,为研究高应力围压对爆破破岩效果的影响,采用ANSYS/LS-DYNA分析软件建立了三维数值计算模型,设定开采深度H分别为1000 m、2000 m和3000 m三种方案,开展三向围压下岩体爆破损伤范围数值分析。研究表明:在相同岩石和爆破参数条件下,随着开采深度的增加,围岩压力随之增大,围压总体上对爆破损伤范围起到抑制作用,使得装药区的爆破损伤体积由H=1000 m时的2.21 m3降低至H=3000 m时的0.52 m3,降低幅度达到76.5%;且对拉伸破坏的抑制效果更明显,岩体爆破损伤类型由拉伸破坏逐渐向剪切破坏转化。高围压条件下,岩体的围岩约束作用增大,一定程度上加大了爆破难度,但超过一定范围易于诱发岩爆事故。     

基于超前地质预报的丁寨防洪排涝隧洞爆破施工方案研究

复杂岩体条件下的隧洞爆破施工技术研究对于获得良好爆破效果及避免地质灾害的发生具有十分重要的意义.依托丁寨防洪排涝隧洞工程,针对复杂地质条件下的隧洞爆破开挖,提出了集掌子面出露岩体分析、超前地质预报、超前支护、爆破施工方案优化等于一体的成套隧洞爆破施工技术.首先进行掌子面出露岩体分析,并采用地质雷达法探测掌子面前体不良地质体发育范围和程度;然后基于地质雷达法探测结果,预测掌子面前不同部位围岩条件.针对岩体可能存在破碎带、溶洞、溶缝等不良地质体的部位,通过超前钻探确定破碎带的位置和范围或岩溶发育范围和程度,并提出相应的围岩超前支护与稳定性控制措施;针对岩体相对完整的部位,按照常规的施工方案进行爆破开挖.最后综合超前地质预报结果与记录的钻杆钻进速度,评估不良地质体分布和范围,判定不同部位待开挖岩体围岩类别,优化爆破施工方案.现场应用后,隧洞轮廓成型效果较好,超欠挖得到了有效的控制.在不良地质段也未出现塌方、突泥涌水现象,实现了隧洞高效安全开挖.爆破施工技术可为同类工程建设提供参考.     

循环载荷下再生混凝土损伤声发射特性

在地震多发地,混凝土结构常常承受循环荷载作用,为了研究循环加卸载作用下再生混凝土的受压损伤特性,对不同再生粗骨料取代率的混凝土试件进行单轴抗压试验.基于声发射技术,对受压损伤全过程进行了动态分析.研究表明:循环荷载作用下,再生混凝土声发射振铃计数存在Kaiser效应,该效应反映了材料损伤程度,同时揭示了不同掺量再生混凝土的损伤机制;随着应力水平的增加,Felicity比逐渐减小,以Felicity比小于1作为混凝土损伤严重的标志;将每次循环声发射振铃图进行分形计算,循环荷载作用下再生混凝土声发射振铃分形维数随着循环次数的增加而增加,证明了声发射应用于损伤预测的可行性;应用响应比理论对声发射累计事件的研究得出:再生混凝土加卸载声发射数响应比Y随着试件承受的应力水平的增高而减小,且将Y减小至1左右时作为再生混凝土破坏前兆特征,为工程损伤预测及安全评估提供参考.     

围压条件下砂岩循环冲击损伤的力学与超声分析

采用带围压装置的φ100mm霍普金森压杆系统,对砂岩试样进行了单轴冲击和4MPa、20MPa围压条件下的循环冲击试验,并对每次冲击前后的砂岩试样进行超声纵波检测,分析了砂岩在冲击荷载循环作用下的应力、应变特征,定义了砂岩试样的屈服-弹性比用以描述围压下试样应力应变曲线的弹塑性特征,采用纵波波速定义了砂岩试样的冲击损伤并分析了循环冲击试验中砂岩试样纵波波速和应力应变之间的关系。分析发现：在围压作用下,应力－应变曲线呈现典型的弹塑性特征。随着冲击荷载循环作用次数的增加,砂岩试样屈服应力、峰值应力降低,屈服应变、峰值应变增加。随着循环冲击作用次数的增加,砂岩试样的应力、应变特征与纵波波速之间存在良好的相关关系。较低围压状态下累计损伤度明显高于较高围压下砂岩的累积损伤,砂岩循环冲击损伤具有明显的围压效应。研究结果对地下工程的建设和防护有一定的指导意义。     

全断面与台阶法爆破作用下围岩的振动特征

基于现场试验和实测数据,通过量纲分析,建立了全断面爆破与台阶法爆破时岩体振动主频与单段最大药量及爆心距之间的函数关系,并进行了回归分析;通过声波试验,分析了在这两种爆破方式下,经过5次爆破作用后岩体的累积损伤规律。研究结果表明:岩体的振动主频随单段最大药量和爆心距的增加而减少,台阶法爆破比全断面爆破减少得更为迅速,而且相对于爆心距,单段最大药量对主振频率的影响更为显著;岩体在爆破作用下的损伤呈现非线性累积规律,前3次爆破对岩体损伤程度更深,且全断面爆破引起的岩体损伤较台阶法爆破更为严重。