基于岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式

爆破开挖作业引起的扰动与损伤,特别是频繁爆破产生的累积损伤效应,必然导致岩体完整性降低,岩体力学参数弱化,从而威胁岩体工程稳定性。考虑岩体爆破损伤及其累积效应,指出了Hoek-Brown(赫克-布朗)准则及其改进公式的不足,引入完整性系数K v和损伤因子D,建立了可以表征岩体爆破累积损伤效应、岩体爆破扰动状态及其力学参数弱化程度的mb和s的取值方法。基于声速变化与爆破累积损伤效应之间的联系,建立了以岩体声速降低率η为基准量的岩体爆破累积损伤扩展模型,并将该模型成功应用于提出的Hoek-Brown准则修正公式中。根据现场模拟爆破试验与声波测试数据,对提出的修正公式进行了分析,结果表明,建立的考虑岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式是合理的。     

隧洞开挖重复爆炸荷载作用下围岩累积损伤特性

隧洞毫秒爆破开挖推进过程中,预留岩体在重复爆炸荷载作用下产生不可逆的损伤叠加。而现有的岩体爆破损伤数值模拟基本都是针对单孔装药和单段爆破,很少涉及实际工程中的重复爆炸。基于LS-DYNA程序的用户自定义材料接口,将统计损伤演化模型嵌入到弹塑性本构材料中,模拟圆形隧洞全断面毫秒爆破过程中重复爆炸荷载作用下的岩体累积损伤效应,并考虑地应力对岩体爆破损伤的影响。计算结果表明,围岩损伤范围和损伤程度随重复爆炸荷载次数而增加,在一个爆破进尺内,围岩损伤的临界峰值质点振动速度较单段爆破降低了12%;爆炸荷载作用下,围岩主要表现为拉损伤,围岩地应力对爆破张拉效应起到非常敏感的"抑制"作用,在2¹0 MPa应力水平时,围岩爆破累积损伤范围随着应力增加而明显减小,围岩损伤的临界峰值质点振动速度增加24%10 MPa应力水平时,围岩爆破累积损伤范围随着应力增加而明显减小,围岩损伤的临界峰值质点振动速度增加24%⁵7%。     

考虑累积损伤效应的围岩变形特性研究

隧道爆破开挖诱发的动力扰动作用范围往往远大于其开挖进尺,同一部位围岩受到循环爆破开挖的多次扰动普遍存在累积损伤。对乌东德水电站左岸导流洞爆破开挖过程中的爆破振动和围岩变形监测进行了监测和数值分析,基于累积损伤理论,通过引入损伤判据及损伤变量,考虑计算中产生的不同程度的损伤区域的岩体参数劣化,并将劣化后的参数引入相应损伤单元进行后续开挖爆破数值模拟计算,从而对岩体爆破开挖累积损伤效应进行模拟。通过比较乌东德水电站导流洞的实测数据以及数值模拟计算结果发现,考虑累积损伤的计算结果无论是爆破振动速度还是围岩变形均更接近于实测值。对爆破开挖的分析模拟中应考虑围岩的多次循环爆破累积损伤效应。     

基于声波频谱特征的岩体爆破累积损伤效应分析

为深入揭示岩体爆破累积损伤效应及其与岩体声学特性之间的内在联系,在某地下工程围岩中进行了10次小药量爆破,并开展了岩体损伤现场声波测试。基于快速傅立叶变换(FFT),探讨了声波在爆破损伤岩体中传播时的衰减特性,分析了声波主频、频域内最大振幅等岩体声学参数随爆破次数不断增加的变化特性,同时探讨了围岩松动圈厚度、声波换能器间距、爆心距等因素的影响。研究结果表明,随爆破次数增加,岩体爆生裂隙不断增加和扩展,声波信号中的高频成分不断被吸收,低频成分所占比例增加,主频向低频方向偏移,频谱曲线畸变程度增加;声波主频比和频域最大振幅比均呈非线性降低趋势,频域最大振幅比对岩体爆破损伤的敏感性高于声波主频比;随爆心距增大,岩体声波频谱变化程度逐渐减弱。声波换能器间距越大,声波主频变化越大,频域内最大振幅衰减变化越显著。研究成果对于丰富和完善岩体爆破累积损伤效应声学研究方法具有一定的参考意义。     

损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数研究

岩体条件复杂多变,为了提高光面爆破的适应性、改善光面爆破效果,对损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数进行研究。通过对深部岩体巷道光爆层原岩应力场、光面爆破机制和振动损伤特征进行分析,基于爆炸应力波和爆生气体综合作用理论,考虑高原岩应力和岩石损伤影响,提出了损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数确定的计算方法。研究表明, （1）高原岩应力相当于提高了岩石的抗拉强度,不利于炮孔初始裂纹的形成及贯通,宜减小周边眼间距;（2）岩石损伤后,其他条件不变,光面爆破的炮孔间距和抵抗线值可适当加大;（3）高原岩应力和损伤条件下,光面爆破的炮孔间距较小时,容易造成爆后围岩损伤,降低围岩的稳定性能,因此,提高爆破效果的同时应及时加强支护,以确保施工安全和围岩稳定;（4）本文提出的光面爆破参数计算公式,经现场爆破验证效果良好,适用于复杂多变的岩体环境。     

基于声波测试的爆破震动对巷道围岩体累积损伤分析

为了研究巷道开挖过程中爆破动荷载对巷道围岩体的累积损伤,运用RSM-SY5智能型声波仪测试巷道围岩体的岩体声波速度。结合理论推导,分析多次爆破震动对巷道围岩体的累积损伤。结果表明,第一次爆破对巷道围岩体的影响最大,多次爆破震动的累积损伤作用仅增加围岩体的破碎程度,并没有扩大巷道围岩体的损伤范围。巷道围岩体的松动圈是由多次爆破累积损伤造成的,且对巷道顶板的累积损伤程度大于巷道两帮的累积损伤。根据巷道围岩体的累积损伤程度,巷道顶板围岩体的1.5 m范围内为开挖引起的围岩体破碎带,1.75~2.5 m为巷道围岩体裂隙带,2.75 m以外的岩体为开挖扰动带和原岩区。此研究为巷道开挖过程中控制巷道的稳定性和巷道支护提供可靠参考依据。     

深埋隧洞爆破开挖扰动损伤效应的数值模拟

爆破开挖扰动是深埋隧洞损伤区孕育及演化的重要影响因素。根据隧洞岩体钻爆开挖过程分析了爆炸荷载及开挖荷载瞬态卸荷对岩体的扰动作用,基于LS-DYNA动力有限元程序,提出了利用施加节点反力模拟待开挖隧洞岩体的约束作用,通过控制节点反力的变化过程以模拟开挖荷载瞬态卸荷,采用爆炸荷载变化曲线模拟爆炸作用过程的爆破开挖扰动数值模拟方法,并利用该方法模拟分析了爆破开挖扰动对围岩的损伤效应,结果表明,应力重分布对围岩损伤最大,隧洞围岩损伤区主要由围岩初始应力重分布所导致,爆炸荷载作用将增大围岩损伤区范围,考虑开挖荷载瞬态卸荷作用的围岩损伤区最大,且地应力越高,开挖荷载瞬态卸荷作用对围岩的损伤效应越显著     

基于TCK损伤本构的岩石爆破效应数值模拟

脆性岩石在爆破载荷下的动态破碎行为是工程技术人员所关心的,采用数值法预估岩体破裂范围和损伤大小对施工安全具有重大意义,其中合理的岩石损伤模型是关键。假设岩体破坏近似服从Mises屈服准则,且考虑到岩体的应变硬化特性,把Taylor-Chen-Kuszmaul（TCK）模型中的拉裂损伤演化方程和材料双线性、弹塑性本构耦合到一起,并简洁地嵌入到有限元分析软件LS-DYNA中,通过半无限岩体中柱形药包爆破实例验证了其合理性与准确性。对球形药包爆破问题也进行了数值分析。该损伤模型及其数值模拟在工程中具有一定的参考价值。     

洞室开挖卸荷作用下岩体裂纹动态应力强度因子分析

在线弹性变形假设的情况下,以龙滩水电站地下厂房开挖为例和以ANSYS数值计算软件为平台,计算了在爆破荷载和初始地应力卸荷荷载作用下岩体裂纹的动态应力强度因子。计算表明,在中高地应力地区的爆破破岩过程中,虽然炮孔附近的裂纹扩展和岩体损伤主要由爆破荷载引起的,但岩体初始地应力的动态卸荷可能是引起保留岩体中远区松动及原有裂纹扩展的重要因素之一。     

地震作用下水平层状岩质边坡累积损伤与破坏模式研究

研究边坡在反复地震作用下的累积损伤对于库区岩质边坡的长期稳定性分析具有重要意义。结合振动台试验与理论分析方法,对水平层状岩质边坡在反复地震作用下的累积损伤与破坏模式进行了深入研究。结果表明:采用混凝土疲劳裂纹扩展的双K准则可以很好地解释边坡的累积损伤曲线的变化趋势,完整的累积损伤演化曲线表现出初始损伤、细观裂纹扩展、宏观裂缝扩展3个阶段;分别采用三次多项式和幂指数建立了微小地震和强震作用下边坡岩体累积损伤演化模型并取得了良好的拟合效果,微小地震作用下边坡岩体累积损伤曲线表现出初期略微下降、中期线性增长、后期平缓增长的正"S"型的3段式特征,强震作用下边坡岩体累积损伤相比微震作用下有较为快速的增长,且在边坡破坏前增速加快。频发微震作用下,水平层状岩质边坡在坡体上部形成阶梯型破坏面并向坡面出露,在坡体下部形成平直的剪切破坏面,坡体最终的破坏面呈阶梯状。     

Numerical Analysis of Blast-Induced Stress Waves in a Rock Mass with Anisotropic Continuum Damage Models Part 1: Equivalent Material Property Approach

Summary This paper uses the concept of anisotropic damage mechanics to analyze dynamic responses of a granite site under blasting loads. An anisotropic continuum damage model is suggested to model rock mass behavior under blasting loads. The effects of existing cracks and joints in the rock mass are considered by using equivalent rock material properties obtained from both field and laboratory test data. The anisotropic damage accumulations are simulated by continuous degradation of equivalent material stiffness and strength during loading process and are calculated using the exponential function with respect to the principal tensile strain in three directions. The suggested models are programmed and linked to an available computer program Autodyn3D through its user's subroutine capability. Stress wave propagation and damage zone in the rock mass induced by underground explosions are simulated. Numerical results of damaged area, peak particle velocity and acceleration attenuation as well as acceleration time histories and Fourier spectra are compared with those from independent field tests.     

考虑损伤效应的岩锚梁光面爆破数值分析

在地下厂房岩锚梁爆破施工中,为获得良好的开挖轮廓面和较小的损伤区,常采用光面爆破的开挖方式,但在光面爆破施工中,主爆孔爆破对光爆层岩石造成较大程度的损伤,使岩石的力学参数发生变化,而在爆破设计与施工中未考虑这种损伤效应,结果造成单孔装药量偏大,岩石受到过度破坏,出现超挖或产生大量的爆振裂隙。应用动力有限元程序,建立岩体二维弹塑性模型,对不考虑损伤和考虑损伤的光面爆破过程进行了数值模拟,并比较两种模型最大有效应力随距离的变化关系。研究结果表明,在相同情况下,考虑损伤影响时可适当加大光面爆破的炮孔间距和抵抗线。在现场进行了考虑爆破损伤和未考虑爆破损伤的两组爆破试验,观察爆后效果表明：考虑爆破损伤效应的参数设计爆破效果好、损伤作用小。     

岩石时效损伤模型及其在工程爆破中应用

为了实现爆破智能化,降低爆破带来的负面影响,通过数值模拟预估出岩体中爆破诱发损伤的大小以及分布范围在工程上具有重要意义,其中科学合理的爆破损伤模型是关键。基于岩石介质是连续的、各向同性的、且存在初始裂纹的假设,把考虑时效的岩石拉裂损伤演化方程和双线形弹塑性本构结合起来,通过用户自定义简明地嵌入到大型LS-DYNA软件中,并引入了该软件中的侵蚀算法,对半无限岩体中临空面附近爆破漏斗问题进行了重点数值模拟,计算结果比较接近实际。本文方法在工程中将具有一定的参考价值。     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

Fuzzy-random probabilistic analysis of rock mass responses to explosive loads

This paper addresses the effects of randomness of initial damage in a rock mass and the critical tensile strain of the rock material on its dynamic responses and damage under explosive loads. A fuzzy definition is proposed to describe the fuzzy nature of failure phenomenon in a rock mass. The initial damage of the rock mass is estimated using the longitudinal and transverse elastic wave velocities. By using statistical analysis, the initial damage of the rock mass is found having the Beta distribution. The statistical estimation of a damage state and properties of randomly damaged rock mass are evaluated by the Rosenbluth's point estimate method. In numerical calculation, an isotropic continuum damage model with the initial damage and the cumulative damage dependent on an equivalent tensile strain is suggested to model the rock mass behavior under blast loads. A Beta distribution is proposed to represent the probabilistic distribution of the damage variable of the rock mass under explosive loads. Several types of membership functions are suggested to represent the fuzziness of material failure. Based on the fuzzy–random probabilistic theory, a model including both the effects of randomness and fuzziness is proposed for the failure analysis of rock mass under explosive loads. The suggested models are coded and linked with an available computer program AUTODYN2D through its user's subroutine capacity. The fuzzy failure probability and dynamic responses of the rock mass are calculated. Numerical results are compared with those obtained from independent field tests.     

邻近既有隧道的新建大断面隧道施工参数优化分析

结合大帽山隧道Ⅴ级围岩段施工参数优化的试验,通过爆破震动速度、岩体声波波速和围岩内部位移的现场监控量测工作,研究既有隧道旁新建大断面隧道双侧壁导坑法施工时岩体的损伤程度和范围,进而优化导洞的单循环进尺、爆破参数等施工参数。研究表明：推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法开挖的隧道必然导致围岩产生一定程度的损伤、破坏,尤其是小净距隧道间的中夹岩岩墙;双侧壁导坑法开挖的大断面隧道,控制岩体的损伤程度和损伤范围是相互矛盾的,通过减少单循环开挖进尺来减少爆破震动速度,只能控制岩体的损伤范围,多次的重复爆破导致损伤岩体的损伤程度更大,极大影响围岩稳定;相反,通过适当加大单循环开挖进尺来控制损伤程度的同时,过大的爆破震动速度导致损伤范围更大,极大影响邻近既有隧道的安全运行。利用现场监测数据,通过在UDEC软件中实现的岩体各向异性爆破损伤模型,计算导洞推进式开挖全过程围岩压力的变化和既有隧道支护结构的状态,综合考虑各种因素,优化得到折中的单循环进尺。     

Numerical Analysis of Blast-Induced Stress Waves in a Rock Mass with Anisotropic Continuum Damage Models Part 2: Stochastic Approach

Summary This paper reports the second part of the study carried out by the authors on the underground explosion-induced stress wave propagation and damage in a rock mass. In the accompanying paper reporting the first part of the study, equivalent material properties were used to model the effects of existing cracks and joints in the rock mass. The rock mass and its properties were treated as deterministic. In this paper, existing random cracks and joints are modeled as statistical initial damage of the rock mass. In numerical calculation, an anisotropic continuum damage model including both the statistical anisotropic initial damage and cumulative damage dependent on principal tensile strain and stochastic critical tensile strain is suggested to model rock mass behavior under explosion loads. The statistical estimation of stress wave propagation in the rock mass due to underground explosion is evaluated by Rosenblueth's point estimate method. The suggested models and statistical solution process are also programmed and linked to Autodyn3D as its user's subroutines. Numerical results are compared with the field test data and those presented in the accompanying paper obtained with equivalent material property approach.