爆破荷载作用下岩体能量演化及失稳破裂研究

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深部隧道钻爆开挖时,爆破荷载使目标岩体有效破碎的同时,也将引起隧道局部围岩产生不同程度的损伤,严重影响隧道稳定性。爆破作用的本质是爆破荷载对岩体做功,因此,进行爆破荷载作用下岩体能量演化及失稳破裂研究,有利于高效利用爆破能量和降低爆破负面影响。本文采用显式动力学软件,分析了单孔爆破体系中各物质能量的时空分布特征和演化规律,并研究了隧道围岩在高地应力和爆破荷载耦合作用下,侧压力系数与初始裂纹倾角对围岩能量的动态响应以及破裂带的发育特征的影响。主要研究工作与结论如下:(1)基于流固耦合算法,建立三维单孔不耦合装药爆破数值试验模型,分析了本文所使用数值方法的可行性,并研究了不耦合系数对孔壁压力、能量演变、及爆生裂纹扩展的影响。结果表明,在同等炸药量条件下,岩体的应变能、孔壁岩石的应变率及峰值压力、爆生裂纹的面积均与装药不耦合系数呈负相关关系,并给出了其随不耦合系数变化公式。当不耦合系数小于3时,改变装药不耦合系数,孔壁峰值压力、岩体应变能及爆生裂纹面积均随不耦合系数的增大而显著减小;而当不耦合系数大于3时,改变不耦合系数其变化幅度变小。(2)建立邻近隧道的爆破扰动数值模型,分析了不同侧压力系数λ和预制裂纹倾角α对隧道围岩应变能时空演化特征及失稳破裂的影响规律。结果表明,当λ小于1时应变能释放区出现在隧道底部;当λ大于1时应变能释放区开始向隧道两边墙转移,且λ越大应变能释放区范围越大。迎爆侧围岩的应变能密度随裂纹倾角α增大而增大。爆破荷载下隧道围岩应变能时程曲线表现为“双峰式”的波动,且最终稳定值均大于初始值。当垂直地应力一定时,隧道受爆破扰动在迎爆侧形成的裂纹的面积,随预制裂纹倾角α及侧压力系数λ的增大而减小。(3)以引汉济渭秦岭输水隧洞应力解除爆破试验为工程背景,建立针对轻微、中等、强烈岩爆的三种应力解除爆破方案的数值计算模型,评价了各方案下隧道围岩的稳定性,以及应力和能量释放特征。结果表明,应力解除爆破后隧道掌子面拱顶部位应力释放最大,边墙应力释放最小。在应力环境、围岩力学性质等条件一致时,轻微岩爆应力解除爆破方案对隧道围岩稳定性的影响最小,强烈岩爆应力解除爆破对隧道围岩稳定性影响的最大。三种不同应力解除爆破方案均可在掌子面内围岩形成沿隧道轮廓线连续分布的破裂带。
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