基于Hoek-Brown准则的爆破损伤对岩石力学性质及边坡稳定的影响

摘要

爆破是岩石工程开挖中的常用方法，在实现爆炸破岩的同时，不可避免地会对预留岩体造成扰动和损伤，影响岩体的力学性质和边坡工程稳定安全，合理评价岩体爆破损伤影响是岩石工程领域的重要技术问题。本文总结了爆破损伤机理与损伤评价理论;通过理论推导与数值模拟，探讨了岩体爆破损伤的空间分布规律;基于Hoek-Brown准则，研究了爆破损伤对岩体力学性质的劣化影响，分析了爆破损伤空间分布形式和影响范围对边坡稳定性的影响。
　　论文的主要研究内容和基本认识如下:
　　(1)总结了国内外关于岩体爆破损伤的评价方法:在爆破损伤范围评价方面，主要包括声波法、超声波CT法等常用的工程检测方法以及由公式推导得到的关于压碎区及损伤区范围的理论方法。在爆破损伤程度方面，包括由工程规范得到的波速测试方法及数值模拟获得的损伤云图评价法等。
　　(2)依据工程中爆破前后岩体纵波波速的现场测试数据，采用统计分析与数据拟合，获得了爆破后的岩体波速变化规律符合分段线性函数特征。基于Hoek-Brown强度准则中扰动因子DHB，探讨了岩体爆破损伤弱化效应，通过将扰动因子DHB与岩体纵波波速相关联，推导得到了扰动因子DHB在爆破损伤深度范围内按照指数型变化的空间分布规律，可为爆破损伤定量评价提供参考。
　　(3)采用数值模拟方法探讨了单孔爆破过程及损伤衰减规律。依据相关工程爆破设计资料，针对5组爆破参数建立数值计算模型，通过与理论公式结果对比，验证数值模拟方法的合理性。基于JHC模型中损伤变量DJHC的计算结果，分析爆破损伤程度随爆心距的空间衰减规律。采用扰动因子的指数型空间变化形式对上述数值结果进行拟合验证。结果表明:岩体爆破损伤程度可用DJHC从1到0定量表征;随爆心距增加，整体上表现为先缓降再陡降最后趋缓的变化趋势;若考虑损伤临界值，理论推导的DHB指数型变化规律具有较好合理性。
　　(4)采用Hoek-Brown强度准则计算爆破影响区域岩质边坡力学参数随深度的劣化情况，分析了爆破损伤范围及损伤程度的分布规律对某工程边坡开挖稳定性的影响。结果表明:Hoek-Brown准则中的扰动因子DHB取值对边坡稳定性系数的计算结果影响显著;不考虑爆破损伤的影响，将导致稳定性评价结果偏安全;若考虑DHB按照损伤范围内取均一值，稳定性系数计算结果偏保守;采用DHB渐变弱化的方式，能较好的反映爆破损伤对边坡稳定的实际影响。采用系统锚杆可对爆破损伤进行有效的控制，从而确保开挖后边坡的整体和局部稳定。此外，论文对DHB的分布形式及范围的影响进行了讨论。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩体爆破方法研究现状

1．2．2 岩体爆破机理研究现状

1．2．3 岩体爆破理论模型研究现状

1．2．4 岩体爆破数值模拟研究现状

1．2．5 边坡稳定性分析评价研究现状

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 论文的创新点

2 岩体爆破损伤评价方法

2．1 爆破损伤范围评价方法

2．1．1 工程检测方法

2．1．2 理论分析方法

2．2 爆破损伤程度评价方法

2．2．1 工程检测方法

2．2．2 数值分析方法

2．3 本章小结

3 基于Hoek-Brown准则的爆破损伤规律及岩体参数确定方法

3．1 Hoek-Brown强度准则的发展与改进

3．2 基于纵波波速表征扰动因子DHB变化规律

3．2．1 岩体爆破损伤区纵波波速变化规律

3．2．2 扰动因子DHB的衰减规律

3．3 基于Hoek-Brown强度准则估算岩体力学参数

3．3．1 岩体抗压和抗拉强度

3．3．2 岩体变形模量

3．3．3 岩体抗剪强度参数(黏聚力、内摩擦角)

3．4 本章小结

4 岩体爆破损伤程度空间分布规律分析

4．1．2 基本控制方程

4．1．3 流固耦合分析

4．2 数值模型与计算参数

4．2．1 材料模型参数

4．2．2 数值计算模型

4．3 损伤变量DJHC

4．4 岩体爆破损伤数值模拟及验证

4．4．1 爆破损伤数值模拟结果

4．4．2 数值计算的结果验证

4．5 岩体爆破损伤程度的空间变化规律

4．5．1 损伤变量DJHC的空间变化规律

4．5．2 Hoek-Brown准则扰动因子变化规律的验证

4．6 本章小结

5 岩体爆破损伤对边坡稳定性的影响

5．1 分析方法及软件

5．1．1 有限元强度折减法

5．1．2 极限平衡法

5．2 工程概况及计算参数选取

5．2．1 工程基本概况

5．2．2 计算参数选取

5．3 扰动因子对岩体力学性质的影响

5．3．1 扰动区波速变化规律

5．3．2 扰动因子DHB的空间变化规律

5．3．3 损伤区岩体力学参数弱化情况

5．4 扰动因子对边坡稳定性的影响

5．4．1 扰动因子变化规律对边坡稳定性的影响

5．4．2 扰动因子影响范围对边坡稳定性的影响

5．4．3 结果讨论

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 进一步研究的建议

参考文献

作者简介