隧道围岩爆破损伤性破坏数值模拟与理论分析

发布时间：2020-03-20 14:12

【摘要】：伴随我国对深部地下工程的重视,深部隧道及深部高应力条件下水利水电工程建设快速发展,爆破作为深部地下岩体开挖的重要手段之一,围岩在循环爆破作用下力学性能不断劣化,损伤持续累积诱发围岩失稳,致使出现隧洞坍塌现象,威胁工程人员的安全。研究在循环爆破作用下隧洞围岩岩体渐进性破坏,对于揭示岩体破坏机理、力学性质劣化及后期支护结构设计具有重要的指导意义。本文依托国家自然科学基金“循环爆破荷载作用下隧洞围岩损伤演化机理研究(51579142)”。通过基本理论与LS-DYNA数值模拟分析探讨围岩在循环爆破动荷载作用下损伤破坏,具体研究成果如下:(1)总结目前国内外理论方面与数值模拟方面关于循环爆破动荷载作用于隧洞围岩的相关成果,指出目前存在的不足与问题。(2)以爆破作用下岩体破坏的基本理论为基础,探讨炸药随时间变化历程及岩体的渐进性破坏,确定了围岩损伤破坏的变量D。(3)借助广义胡克定律对脆性岩体材料本构关系进行完善;通过利用岩体最大拉应变准则和岩体摩尔-库伦准则对循环爆破作用下岩体渐渐性破坏做出判断,借助损伤变量D(D0≤D≤1)的不同值来表征岩体的损伤情况:D=D0时,岩体为具有初始损伤岩体(D0可以等于0,此时岩体为完整岩体);D0D1时,岩体在初始损伤基础上出现不同程度损伤破坏;D=1时,岩体完全破坏,发生断裂。并通过损伤累积(?)来表征隧洞围岩在循环爆破作用下的持续累积损伤破坏。(4)借助LS-DYNA有限元软件,揭示了爆破作用下应力峰值存在于炮孔处,并呈辐射状向四周辐射。岩体损伤破坏Y方向比X方向相对严重,其破坏方式以压剪破坏为主,伴随拉伸破坏。(5)通过对比单次爆破与循环爆破对岩体破坏,揭示了岩体损伤破坏具有明显记忆性,岩体损伤虽不断衰减,但损伤仍持续累积。说明地下岩体工程宏观失稳现象是由循环爆破引起岩体累积损伤作用引起的,并非一次爆破造成。(6)通过对比6个和4个平行布置炮孔循环爆破对围岩的损伤破坏发现,6个炮孔对围岩的损伤更加的剧烈,范围更加广泛,但其差距主要集中在前几次循环爆破,随循环爆破次数的增加,不同炮孔数量对同一处围岩的损伤破坏逐渐衰减,且损伤程度逐渐趋于相同。本文以岩石爆破基本理论为基础,借助LS-DYNA数值模拟对循环爆破动荷载作用下围岩损伤性破坏做出相应的探讨与研究,对进一步探究岩体累积损伤破坏与现场围岩支护具有一定的理论指导意义,对实现隧洞爆破施工技术创新提供一定参考。
【图文】：

第 1 章 绪论1.1 选题的依据和研究意义近年来伴随一带一路计划的实施，水利水电工程、矿山巷道和隧道工程等工程项目作为我国经济发展的重要组成部分得到大力发展，截至目前为止，我国已成为世界上深部地下空间发展规模最大、技术发展最为迅速的国家之一，而且因土地资源短缺，隧道工程与地下工程将得到更大发展，其发展在向着“长、大、深”等方向进行。对于多数在建、已建的隧道工程，相继都遇到过不少围岩变形破坏的问题，而对于隧道工程施工目前大多仍采用钻爆法施工，岩石（体）在循环爆破动荷载的作用下，岩石损伤具有明显记忆性，且随爆破荷载的发生岩石损伤劣化不断累积[1]，由此对围岩稳定性产生较大的影响。隧道围岩破坏的示意图如图 1.1 所示，研究围岩损伤、裂隙如何发育至贯穿整个岩石体，对于围岩稳定性及后期支护工程的优化具有重要的指导意义。

山东建筑大学硕士学位论文第 2 章 爆破损伤破坏基本理论2.1 岩石爆破破碎机理探究岩石爆破破碎机理，需先对爆破荷载随时间变化历程弄清楚，图 2.1 所示[46]示意图形象的描述了围岩岩体爆破开挖时柱状炮孔爆破荷载随时间的变化过程，其过程大致可以分为 3 个部分：①炮孔内火药起爆，炮孔内爆破荷载随爆炸冲击波的传播开始急速上升，如图 2.2（a）所示；②随爆炸冲击波的进一步传播，在瞬间超高温、超高压的爆生气体的作用下炮孔周围岩体发生破坏，，出现岩体裂纹萌生等现象；③炮孔口处的堵塞物被爆生压缩气体作用整体抛出，与此同时超高温、超高压气体外溢，炮孔内爆破荷载急速衰减。
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U451.2

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本文编号：2591889