基于动力损伤本构模型的地下洞室爆破开挖损伤破坏特性研究

摘要

随着我国基础建设的不断推进，地下工程，尤其是深埋地下洞室的应用越来越广泛。爆破技术仍然是主要的岩体开挖手段之一，而深地下洞室爆破开挖对保留岩体会产生强烈的动力扰动作用，导致围岩损伤加深，并引起一系列工程问题。围绕深部岩体开挖动静力组合作用下围岩的损伤破坏特性，开展相关研究工作，重点解决了爆破开挖过程中，爆炸荷载与围岩中二次应力场的动静力组合作用所诱发的围岩动力损伤破坏机理。
　　首先从爆破开挖过程中动力扰动诱发围岩损伤破坏作用机理出发，对深部岩体爆破开挖过程中动静力组合作用机制进行研究。然后，通过对岩石力学分析中常用的两种本构模型进行分析对比，并基于随动强化本构模型对爆破开挖过程中围岩振动场进行初步计算，同时基于爆破振动速度大小对围岩损伤进行初步判定。然后，在广泛调研相关文献的基础上自定义围岩损伤判别指标量，并将初步判定结果中损伤单元的判别指标量作为岩体损伤阈值。考虑压剪应力诱发岩体损伤，对经典的KUS动力损伤本构模型进行改进，并在改进后的动力损伤本构模型中加入自定义的损伤判别指标量，基于初始的岩体损伤阈值进行动力数值计算，得到新的损伤阈值。不断更新损伤阈值并进行多次计算，最终得到收敛后的损伤阈并得到适用于实际工程的动力损伤本构模型。
　　通过对特大型水电站导流洞和地下厂房爆破开挖现场实测的爆破振动数据进行回归分析，结果表明爆炸地震波在相邻洞室洞壁的传播导致的测点振动以垂直方向为主，水平方向振动速度相对垂直方向振速小。数值计算的结果与实测爆破地震波衰减规律接近程度较高，验证了数值计算参数及自定义动力损伤本构模型的准确性。
　　鉴于工程中对爆源近区测试的难度以及对掌子面附近爆破损伤的关注，重点研究了不同地应力条件下，导流洞本洞开挖掌子面附近断面的爆破峰值振动速度分布，以及相邻平行隧洞断面上的爆破峰值振动速度分布，结果表明萨道夫斯基经验公式不适用于爆源近区。然后，对地下厂房中导洞开挖过程损伤产生规律进行分析，围岩静载作用下损伤程度较大的部位出现在拱脚和墙角部位，这些部位围岩在地应力作用下的应力集中程度较大，在施加爆破荷载之后，在动静力组合下损伤主要分布在洞璧和顶拱，相比之下动应力的影响较大较为明显。同时，掌子面前方断面上损伤程度更大，相比之下在掌子面后方断面中损伤区较小。
　　最后，对溪洛渡左岸地下厂房开挖爆破试验所推荐的爆破参数进行数值模拟，并对各爆破作业可能诱发的围岩损伤进行评估，结果表明基于动力损伤本构模型的数值计算分析对爆破试验是一种较好的补充，对保留岩体损伤的模拟可以用来验证爆破试验推荐参数的合理性。同时，对边墙保护层水平光面爆破孔相关参数进行了研究，炮孔周围损伤深度更多是受到药卷直径的影响，孔间距的增加仅仅改变损伤区形状，不会减小最大损伤深度。工程中需严格按照爆破设计中提供的孔距和药卷直径，不能擅自增大药卷直径或孔距。

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第1章绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的问题与不足

1.4 本文研究的内容及方法

第2章 深部裂隙岩体爆破开挖的动静力组合作用

2.1 概述

2.2 爆炸荷载

2.3 深部岩体地应力变化规律

2.4 爆炸应力波与围岩静载荷的组合作用

2.5 高地应力条件下裂隙岩体爆破开挖的数值模拟方法

2.6 本章小结

第3章 岩体损伤本构研究及动力损伤模拟方法

3.1 概述

3.2 岩体损伤机理与判据

3.3 岩体爆破损伤本构模型选比

3.4 动力损伤本构模型的改进与程序编制

3.5 本章小结

第4章 深部岩体爆破开挖动力损伤模型参数确定

4.1 特大型水电站地下洞室群的工程与地质概况

4.2 导流洞爆破开挖爆破振动测试

4.3 地下厂房爆破开挖爆破振动测试

4.4 动力损伤本构模型的参数确定

4.5 本章小结

第5章 深埋隧洞开挖爆破作用下的围岩振动特性

5.1 导流洞上层中导洞爆破开挖数值分析

5.2 不同地应力条件下本洞围岩振动响应规律

5.3 不同地应力条件下邻近导流洞围岩振动响应规律

5.4 本章小结

第6章 深地下厂房爆破开挖围岩损伤特性

6.1爆破开挖损伤围岩确定方法

6.2 基于动力损伤本构计算结果的爆破开挖参数优化

6.3 基于动力损伤本构模型的地下厂房开挖爆破参数校核

6.4 深埋地下厂房边墙保护层爆破开挖损伤规律研究

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

博士期间发表的学术论文

博士期间参与的主要科研项目

致谢