开挖卸荷与扰动荷载作用下岩爆弹射破坏的离散元模拟

摘要

高地应力条件下地下工程岩体在开挖卸荷与扰动荷载作用下发生的岩爆灾害问题日益突出，尤其是岩体的开挖卸荷已经使岩石处于高应力状态，在承受扰动荷载作用后围岩突然猛烈地向开挖临空面发生弹射、抛掷等岩爆破坏，严重影响围岩的稳定、威胁人员设备的安全。
　　 本文围绕开挖卸荷与扰动荷载作用下岩爆弹射破坏过程的离散元数值模拟开展相关研究。基于离散单元法软件UDEC进行二次开发，将完整岩体离散为岩体单元与岩体单元之间的接触面，在利用接触面劣化本构模型的基础上，结合岩爆发生时弹射岩块的弹射速度、动能等定量化描述，用离散元数值模拟的方法实现了开挖卸荷与动力扰动联合作用下岩爆弹射破坏过程的精细模拟，克服了基于连续性介质力学的传统数值模拟方法难以模拟岩爆弹射破坏非连续变形力学行为的局限性，为开挖卸荷与动力扰动联合作用下岩爆机理及预测研究提供了有力手段。采用离散元方法分析了开挖卸荷与动力扰动联合作用下岩爆弹射破坏的能量演化过程。数值试验结果表明，岩爆弹射破坏的能量来源于开挖卸荷后围岩积聚弹性应变能和外界动力扰动能量的迭加;与单独考虑开挖卸荷作用相比较，开挖卸荷与动力扰动联合作用下岩爆弹射破坏的强度往往更高。此外，采用离散元模拟方法对岩爆弹射破坏的影响因素进行分析。研究表明，在地下工程岩爆预测的工程实践中，除了考虑初始地应力场的大小因素外，还应关注初始地应力场的方向和主应力差的影响;在高地应力场与爆破动力扰动荷载作用条件下，隧洞开挖卸荷发生弹射破坏岩爆的岩性条件为坚硬完整的Ⅰ～Ⅲ类围岩;常用的喷锚支护围岩加固方式不能完全防止岩爆的发生，但可显著降低岩爆的破坏强度和弹射块体速度，即对岩爆的弹射破坏具有一定的抑制作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题依据和研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩爆数值模拟研究

1．2．2 动力扰动诱发岩爆研究

1．3 有待进一步研究的问题

1．4 主要研究内容及技术路线

第二章 离散单元法的基本原理

2．1 离散单元法的基本原理

2．2 UDEC离散元数值计算程序简介

第三章 开挖卸荷与动力扰动作用下岩爆弹射破坏过程的离散元模拟方法

3．1 引言

3．2 岩体本构模型

3．2．1 岩体单元的本构模型

3．2．2 岩体单元接触面的本构模型

3．3 围岩离散元模型的建立

3．3．1 模型网格尺寸

3．3．2 阻尼条件设置

3．3．3 粘滞边界条件设置

3．3．4 动力扰动荷载施加

3．3．5 物理力学参数设置

3．4 算例分析

3．4．1 开挖卸荷作用下岩爆弹射破坏过程的模拟

3．4．2 动力扰动作用下岩爆弹射破坏过程模拟

3．4．3 开挖卸荷与动力扰动联合作用下岩爆弹射破坏过程模拟

3．5 开挖卸荷与动力扰动联合作用下岩爆弹射破坏过程的能量演化过程分析

3．6 本章小结

第四章 开挖卸荷与动力扰动作用下岩爆弹射破坏的影响因素分析

4．1 引言

4．2 地应力的影响分析

4．2．1 地应力大小的影响

4．2．2 地应力方向的影响

4．2．3 主应力差值的影响

4．3 围岩性状的影响分析

4．4 爆破应力波的影响分析

4．4．1 应力波幅值的影响

4．4．2 应力波持续时间的影响

4．4．3 应力波类型的影响

4．5 相邻洞室岩墙厚度的影响分析

4．6 围岩加固措施的影响分析

4．6．1 计算模型与计算参数

4．6．2 试验方案

4．6．3 计算结果比较与分析

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

发表论文及参加科研项目情况