岩体爆破累积损伤效应的声波形态变化特征

岩体爆破损伤特性除了影响声波速度外,还明显地引起声波形态特征的变化.文章基于在某地下工程围岩中多次爆破作用下岩体累积损伤效应的声波测试,对声波测试信号中的波形、振幅及波形相关性等信息随爆破次数增加的变化规律进行了分析.结果表明,随着爆破次数的增加,声波波形变得越来越不规则;声波振幅随爆破次数的增加呈明显下降趋势,反映了岩体由于爆破损伤累积、疲劳裂纹扩展引起的声波能量衰减;岩体声波波形相关性随着爆破次数的增加整体上呈下降趋势,相关系数为非线性下降曲线.     

冲击荷载作用下岩石压动态和拉动态损伤模型

根据经典岩石冲击动态损伤模型和统计损伤力学理论,提出冲击荷载加载条件下的岩石压、拉统计损伤本构模型和冲击损伤判据模型。在该损伤模型中,将损伤演化关系分为体积压缩损伤和体积拉伸损伤2种。应用提出的损伤模型和经典动态拉伸损伤模型分别进行爆破损伤数值模拟,并将数值计算结果和现场实测结果进行对比。研究结果表明:与炮孔轴向相比,炮孔径向是爆破破裂延伸的主方向;沿炮孔径向主要发生拉伸破裂,孔底下方主要发生压缩破裂;与基于经典冲击动态拉伸损伤模型的数值计算结果相比,根据损伤模型得到的爆破破裂范围特别是孔底正下方破裂深度与实测值相差不大且最接近实测值,表明所提出的损伤模型是合理的,具有实用性。     

深部岩体在掏槽爆破过程中的损伤演化机制

为研究深部岩体掏槽爆破过程中岩体的损伤演化机制,将Cowper-Symonds硬化模型与拉压损伤模型耦合以后的模型嵌入到LS-DYNA软件中对其进行数值模拟研究。数值模拟结果表明:地应力及临空面的存在对岩体的损伤演化机制有影响,地应力存在对应力波所诱发的压力载荷产生抵制作用,使得岩体受压力荷载作用产生的损伤范围受到影响,随着地应力增大,掏槽爆破岩体的损伤范围变小;掏槽爆破中的中心孔有充当临空面的作用,使得应力波在遇到临空面时形成拉伸波,并造成中心孔附近岩体的拉损伤往岩体内部扩展,最终有加大掏槽孔周围岩体的损伤范围作用。     

水平爆破波作用下采空区顶板累积破坏效应分析

采空区上部进行爆破作业时,爆炸应力波产生的水平爆破波将会对采空区顶板及其围岩形成动力加载,采空区顶板及其围岩将会出现累积破坏。当这种累积破坏积累到一定程度时,将导致顶板突发性冒落和塌陷,对采空区上方作业人员和采掘设备构成潜在安全隐患。基于现场实测的水平爆破波速度时程曲线,构建FLAC3D三维数值计算模型,考虑在机械施工设备荷载的影响下对采空区顶板施加水平爆破荷载,揭示水平爆破波作用下的采空区顶板和采空区围岩损伤破坏区域的发展、应力集中程度变化情况,并通过监测点位移变化曲线,揭示了在水平爆破波反复作用下,采空区顶板及采空区围岩的动态变形响应特征和渐进位移累积效应。为保障类似工程的安全施工,提供了理论基础和技术依据。     

基于爆破损伤的露天矿边坡稳定性的灾变分析

基于爆破震动影响下露天矿岩质边坡滑动趋势面介质的损伤弱化效应,建立了爆破荷载、后缘裂隙静水压力及滑动趋势面扬压力共同作用下的尖点突变模型,并根据导出的临界爆破药量的表达式给出了边坡失稳的判据条件.以鞍千矿业有限公司许东沟采场西帮的一处滑坡为例,利用建立的二维简化模型和导出的失稳判据对边坡在多次爆破作业影响下的稳定性进行了分析,得到了稳定性随爆破次数累积的变化规律.结果表明:边坡失稳的可能性随爆破次数的增加呈现递增的趋势,同时也说明了边坡失稳的发生通常不是仅由一次爆破作业造成的,而是由于多次爆破作用的累积效应所致.通过对比4次爆破作业的临界药量和实际药量,验证了利用导出的失稳判据评价露天矿边坡的稳定情况是合理可行的,对爆破开挖设计中实际药量的选择有一定的指导意义.     

深埋隧洞爆破开挖围岩振动能量分布特征与预测

深埋隧洞爆破开挖引起的开挖面上地应力快速释放是诱发围岩振动的重要因素,为掌握深埋隧洞爆破开挖爆破荷载与地应力快速释放共同扰动下的围岩振动特性,针对锦屏地下实验室上层中导洞爆破开挖现场围岩振动监测,采用变分模态分解(VMD)方法对爆破荷载产生的围岩振动和地应力快速释放诱发的围岩振动进行了分离,利用小波包分解方法研究了爆破振动和诱发振动的能量分布特征及其影响因素,构建了深埋隧洞爆破开挖爆破荷载与地应力快速释放共同作用激发围岩振动的预测模型。研究结果表明：爆破荷载产生振动的能量主要分布在200～300 Hz频带范围内,地应力快速释放诱发振动的能量主要分布在0～150 Hz频带范围内,诱发振动的频率明显低于爆破振动的频率;随着传播距离的增加,爆破振动和诱发振动低频范围内的能量占比均显著增加;装药量对爆破振动能量分布具有显著的影响,随着装药量的增加,爆破振动低频能量的占比增加;诱发振动的能量分布不受装药量和开挖面上地应力水平的影响,只与地应力释放持续时间和开挖面的大小有关;构建的以单响药量、单孔药量、炮孔个数、炮孔间距、爆心距、开挖面法向地应力、地应力释放持续时间为输入参数的基于遗传算法优化的神...     

泥岩非线性蠕变损伤-渗透愈合耦合模型及其应用

以某泥岩高放废物处置库为研究背景,根据室内试验和现场试验成果,提出了考虑泥岩应变硬化和软化以及蠕变效应的损伤判断准则和修正MohrCoulomb屈服破坏准则,建立了一种新的泥岩非线性黏弹塑性损伤模型;探讨了泥岩的渗透性演化机制,以泥岩损伤-渗透耦合及其自愈合为主线,建立了泥岩损伤-渗流耦合模型及渗透性自愈合演化方程.然后对地下储库施工过程进行了数值模拟,研究结果表明:施工质量对围岩扰动区有明显的影响,人工掘进巷道最大损伤约为0.38,明显大于采用盾构法施工的巷道;开挖后围岩渗透率明显增大,人工掘进巷道约为原岩的109倍,盾构施工巷道约为原岩的24倍;围岩蠕变损伤在巷道施工完成初期增长速度较快,扰动区渗透率略有增大,此后愈合应力和水化学效应对围岩渗透率的影响大于蠕变损伤的影响,扰动区渗透性逐渐恢复,约3年后渗透率愈合到原岩的数量级10~(-19)m~2.所提出的模型能有效地描述泥岩水-力耦合特性,对软岩隧洞长期稳定性的预测与预报具有一定的参考意义.     

基于损伤累积的大跨度隧道（硐库）爆破振动传播规律

为研究损伤累积效应对隧道内爆破振动波传播与衰减规律的影响,利用萨道夫斯基公式对某大跨硐库施工过程中测得的爆破振动波结果进行拟合分析.结果表明:在单次爆破作用下,爆破振速与主频均随测点与爆破中心距离的增大而减小;在多次爆破作用影响下,测点爆破振速与主频均随爆破次数增加不断衰减;随着爆破次数的增加,衰减系数(α)缓慢增长,场地系数(K)逐渐衰减.现场爆破振动波的变化规律与室内试验结果相一致,且质点振动主频与峰值振速在变化规律方面存在较高对应关系.在进行振动波传播与衰减规律研究、爆破振动安全标准制定和振动危害效应评价时,应考虑损伤累积效应的影响.     

不同应力条件下爆破开挖对围岩损伤效应的数值模拟研究

根据芦岭矿的工程地质资料,拟定了硬岩和软岩的典型物理力学参数,并依托芦岭矿现场爆破参数,结合ANSYS/LS-DYNA软件,通过隐式-显式连续求解,完成了不同初始应力条件下硬岩和软岩巷爆破开挖的模拟. 计算结果表明,在5~25 MPa应力水平时,随着地应力的增加,近爆腔处围岩的损伤程度并不发生变化,而远离爆腔处围岩损伤程度明显减小,地应力对爆炸载荷所造成损伤抑制作用明显;相同爆破参数下,软岩爆破较硬岩更易受地应力的作用.     

动力扰动下高应力巷道围岩动态响应规律

 采矿过程中,爆破震动等动载荷常会导致高应力巷道失稳塌陷,诱发岩爆发生。根据弹性力学和应力波理论,分析扰动波诱发高应力巷道失稳破裂的机制。针对用沙坝矿高应力巷道受到动力扰动破坏的情况,运用颗粒流软件PFC^2D对动载荷作用下高应力巷道的稳定性进行数值计算,通过改变动载荷幅值的大小,探讨扰动应力波强度的变化对巷道围岩应力场、位移场及破坏区范围的影响,对模型采用静力和动力两种计算方案。研究表明：动载作用下巷道围岩应力场、位移场及破坏区范围相对静力计算结果显著增大;随扰动应力波强度增加,巷道顶、底板的应力、位移及裂纹数量也显著增加。为了避免动力扰动诱发高应力巷道失稳塌陷,给出了几条建议。     

爆破载荷作用下围岩裂隙发展特征试验研究

为研究爆破载荷条件下围岩损伤范围与裂隙扩展行为问题,以云南红河州咪的隧道爆破开挖为背景,通过理论分析与室内模型试验分析方法,以Froude比例法建立爆破载荷作用下裂隙发展试验模型,分析爆破载荷作用下围岩试样的动态力学与裂隙发展趋势.结果表明:通过对空气间隔装药孔壁压力计算得到应力波作用下裂隙范围计算公式,同时基于爆生气...     

砂化岩体在开挖干扰下弹塑性损伤数值模拟

以连续介质力学和不可逆热力学为基础,求解砂化岩体损伤演化方程,并将损伤引入到修正的弹塑性本构方程中,提出了适用于砂化岩体的弹塑性损伤三维有限元计算方法.该方法反映砂化岩体在开挖施工干扰下的岩体破坏过程.应用该方法进行数值模拟计算了坪头水电站引水隧道1#竖井开挖过程,分析成果与实际情况较为吻合,验证了该分析方法的合理性,为砂化岩体计算提供了理论依据.     

非均匀应力场下圆形隧洞围岩弹性应力分析

为了能更好的研究隧洞围岩在非均匀应力场下开挖过程中整体的稳定性,根据隧洞围岩在非均匀应力场下的模型特点,将隧洞围岩周围应力划分为两部分进行叠加。基于D-P准则与理想弹塑性本构关系,采用双调和方程和半逆解法,推导出非均匀应力场下圆形隧洞弹性区围岩应力的解析表达式,并通过Flac3D数值模拟对理论分析结果加以验证。结果表明：考虑中间主应力系数的影响时,中间主应力系数越大与之对应的侧压系数范围越小;侧压系数越大隧洞帮部集中应力降低,拱顶的集中应力增大;同时理论分析结果与数值模拟结果基本一致。在考虑非均匀应力场分布的力学模型更为准确地反映了隧洞围岩应力分布特点,对隧洞围岩的支护方案具有一定的意义。     

原位扩建既有隧道竖井与主洞交叉段施工力学

以南岭铁路隧道原位扩建项目为工程背景,采用振弦式钻孔应力计监测隧道扩挖过程中围岩环向应力的变化.建立主洞与竖井交叉段扩挖过程的三维有限元模型,通过监测数据与模型结果对比,验证模型准确性,研究采用全断面法扩挖时围岩变形及应力随开挖过程的变化规律.在此基础上,分析扩挖方法和循环进尺对扩建稳定性的影响.结果表明:扩挖过程中,交叉点主洞拱脚和边墙的围岩环向应力表现为应力释放,通风竖井破坏了主洞的成拱效应;竖井与主洞交叉点相比于非交叉点,扩挖后隧道水平位移增大47.5%,隧道竖向位移增大29.3%,拱顶围岩应力由压应力转化为拉应力;采用全断面法扩挖对围岩的二次扰动程度更低,减小循环进尺也可有效提高扩挖施工的安全性.     

地震作用下大断面隧道衬砌结构的动力损伤特性

基于混凝土材料的动力损伤特性,建立了其弹塑性损伤本构模型,将该模型应用于强震区某大断面隧道工程,分析了不同地震波入射方向、地震波强度和围岩条件下隧道结构的地震响应与动力损伤规律,探讨了大断面隧道结构的地震损伤特性和破坏机理。研究结果表明：地震波垂直、水平两种入射条件下两者衬砌的压主应力、加速度响应形态相似,但水平入射条件下衬砌结构的应力、加速度响应相较于垂直入射条件更加剧烈;水平入射时衬砌的动力损伤远大于垂直入射时的动力损伤,且动力损伤主要集中于拱腰与墙脚处;围岩条件对隧道衬砌结构的拉主应力响应以及动力损伤有显著影响,V级围岩条件下衬砌结构的最大拉应力是IV级围岩下的5.7倍;隧道结构的地震响应与动力损伤特性也受地震波强度的影响,随着地震波强度增大,应力、加速度响应峰值以及最大动力损伤量均呈现非线性增大趋势,动力损伤随之加剧且由拱腰和墙脚处逐渐向外扩展;在强震区软岩隧道抗震设计以及运营期间震后加固修复应着重注意动力损伤集中的部位。     

地应力对岩体爆破特征影响规律分析

为研究地应力对岩体爆破的影响,本文通过颗粒流软件（PFC2D）建立计算模型,进行数值模拟,从模型内部应力变化、裂纹分布、裂纹数量和能量场多个角度来分析爆破效果。结果表明：地应力严重影响岩体的爆破效果,尤其是压碎区,地应力每增长1 MPa,峰值应力就会大约增长26 MPa;地应力会抑制裂纹发育,对岩体裂纹分布状态和裂纹数量的抑制效果在3~6 MPa时最明显;地应力每增长1 MPa,岩体内部应变能会大约增长250 kJ;摩擦能和动能的能量变化峰值会随地应力的增加而稍微增加。     

基于峰后特征的深部隧道围岩分层断裂数值分析

为了揭示深部隧道工程围岩的分层断裂机理而展开数值实验研究.分析了深部地层岩体历史及赋存环境,认为深部岩体在力学上处于峰后阶段,根据岩石峰后应力-应变特征选定了围岩的峰后特征指标及其开挖响应方程.建立了数值实验模型,设计了开挖数值模拟的围岩响应监控方案.完成了大量的开挖数值模拟,实现了深部围岩分层断裂现象在数值模拟中的重现.基于实验中围岩应力、变形分布的全程监测结果,在确定围岩分层断裂产生条件的基础上,进一步研究得到了围岩分层断裂层数、分层断裂圈半径、最大峰值应力等参数与峰后特征指标的关系.根据地下结构开挖围岩应力重分布及岩石力学破裂机理,分析了分层断裂中次生自由面、多重似开挖面形成的力学机制.所得数值模拟结果,为深部工程围岩的分层断裂提供了验证依据,消解了长期以来数值模拟中没有观察到分层断裂现象的困惑.     

基于拉-压损伤模型的爆破漏斗动力响应分析

以爆破漏斗试验为对象,建立基于H-J-C(JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE)损伤模型并考虑岩体拉伸损伤的拉-压动力损伤本构模型,运用LS-DYNA软件,在构建动力有限元模型的基础上,研究爆破漏斗的形成过程,分析岩体的动力损伤特征,并与实测数据进行对比。研究结果显示:该模型的计算结果与理论和试验的结果相符,拉-压损伤动力模型可较好地反映岩体的动力损伤特征;通过与实测结果的对比分析揭示爆破漏斗形成机理和岩体的破坏形式;自定义的岩体拉-压损伤模型具有一定的工程应用价值。