开挖卸荷的瞬态特性研究

  针对中、高地应力条件下的岩体爆破开挖,通过岩体开挖荷载释放过程的力学分析及卸荷持续时间的计算,提出并论证岩体开挖荷载的释放为瞬态卸荷的观点,认为在中、高地应力条件下,岩体开挖荷载的释放需要考虑荷载的瞬态特性及其动力效应。同时,对与分段微差爆破对应的分步开挖荷载、瞬态卸荷方式、开挖卸荷诱发围岩振动及节理岩体瞬态卸荷松动机制等关键问题进行讨论。最后,结合二滩和瀑布沟等高地应力地区水电站地下厂房开挖瞬态卸荷诱发围岩振动的实测资料及观察到的动力破坏现象,对所提出的观点进行例证。     

开挖动态卸荷对节理岩体渗透特性的影响研究

 利用应力波理论分析高地应力条件下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷效应，探讨卸荷松动后节理岩体渗透特性的变化规律。研究结果表明，高地应力作用下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷松动效应显著，其影响必须考虑。开挖荷载幅值、岩体弹性模量和节理分布间距等因素通过影响节理开度而影响岩体的渗透特性；岩体中完整母岩与节理岩体的结合部位往往是开挖松动较大的部位，其渗透系数变化明显。对于等间距平行节理组垂直切割的直立坡岩体，若岩体的弹性模量由坡外向坡内呈线性增大，计算得到的节理岩体渗透系数分布符合幂函数衰减规律(由坡外向坡内)；若节理岩体的弹性模量由坡外向坡内无变化，则开挖动态卸荷松动现象不会发生。     

节理岩体爆破开挖过程的动态卸载松动机理研究

提出岩体爆破开挖过程中初始应力场的卸载是一动态过程的观点，并利用波动理论分析了岩块在初始应力场瞬态卸载条件下的运动过程。研究表明，瞬间卸载条件下，岩块除产生弹性回复位移外，还会发生水平向的刚体位移，导致岩体结构面被拉开，岩体产生水平向松动现象。岩体初始应力较高条件下。动态卸载引起的岩块水平刚体位移远大于弹性回复变形值。计算结果同时表明，岩体结构面的张开位移与初始应力的平方近似成正比。岩体初始应力场的动态卸载过程能较好解释节理岩体开挖过程的松动机理。     

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法,研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力（开挖荷载）动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下,隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起;高地应力条件下,开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段（地应力水平10 MPa）和尾水隧洞洞身段（地应力水平20 MPa）钻爆开挖过程的实测围岩振动资料,对理论分析和数值模拟结果进行验证。     

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

 采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法，研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力(开挖荷载)动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下，隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起；高地应力条件下，开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段(地应力水平10 MPa)和尾水隧洞洞身段(地应力水平20 MPa)钻爆开挖过程的实测围岩振动资料，对理论分析和数值模拟结果进行验证。     

岩体开挖过程中初始应力的动态卸荷效应研究

提出了边坡、地下洞室开挖施工过程中岩体初始应力动态卸荷的概念。以龙滩水电站地下厂房开挖为例，比较了爆破荷载和岩体初始应力动态卸荷对岩体的动态影响。计算结果表明：（1）在中高地应力区，岩体开挖过程中初始应力场的动态卸荷可能是引起岩体松动的重要因素之一；（2）虽然炮孔近区的损伤主要是由爆破荷载引起的，而远区的忪，力则可能由岩体初始应力的动态卸荷引起；（3）初始应力卸荷越快，其引起的松动范围越大。     

爆破开挖对边坡岩体裂纹扩展的扰动机制

 爆破开挖是导致边坡节理岩体开裂甚至失稳的重要影响因素之一。基于断裂动力学理论,研究了爆破开挖对边坡岩体裂纹失稳扩展的扰动作用,分析了开挖扰动下地应力卸荷和爆炸应力波对裂纹尖端应力强度因子及其裂纹失稳扩展模式的影响。结果表明,爆炸应力波与地应力共同决定了边坡岩体裂纹的失稳扩展模式,初始地应力作用下边坡岩体裂纹的扩展模式主要为I-II压剪复合型;爆破开挖所产生的卸荷效应将改变初始地应力的状态,可使裂纹的扩展模式由I-II压剪复合型转变为I-II拉剪复合型,导致裂纹更容易失稳扩展,且卸荷程度越大,裂纹越容易失稳扩展;爆炸应力波的作用将增加岩体裂纹的失稳扩展风险。     

地应力瞬态卸载诱发振动的能量分布特性

 高地应力条件下隧洞爆破开挖中,岩体初始应力的瞬态卸载诱发的振动是岩体爆破开挖振动的重要组成部分。为揭示地应力瞬态卸载诱发振动能量特征及其对爆破开挖振动能量分布的影响,采用基于功率谱的振动能量分析方法,研究爆炸荷载和不同水平地应力瞬态卸载诱发的振动能量频域分布特征。研究表明：爆炸荷载与地应力瞬态卸载诱发振动的能量频域分布范围基本一致,但瞬态卸载诱发振动主频一般低于爆炸荷载诱发振动主频;地应力瞬态卸载诱发振动会增加爆破振动能量的低频成分,是影响爆破开挖振动能量分布特性的重要因素;地应力水平的提高会增大地应力瞬态卸载诱发振动的幅值,对能量的频域分布无影响。     

分级卸荷速率下软砂岩破坏特征试验研究

山坡开挖活动是山体高坡释放轴向应力及环向应力的主要因素，根据开挖卸荷理论及卸荷岩体力学的思想相结合，某软砂岩山体边坡的地理环境下，采用三轴分级卸荷试验系统开展卸荷试验。考虑到山体边坡开挖过程中，山体边坡上覆荷载变化较小，侧向约束力受限的受力特征，确定轴向压力恒稳与环向压力逐级减小的卸载形式。结合山体边坡工程分层开挖方式与诱导原状岩体应力释放，存在不同强度分荷状态下量态分级的现象，考虑分级卸荷速率下软岩体的应力应变曲线，分析复杂边坡地形破坏状态下瞬态应变情况。     

深埋隧洞开挖引起的围岩开裂研究

利用动态版岩石破裂过程分析系统(RFPA~(2D))模拟岩体加载和卸载过程岩体内部裂纹起裂、扩展的演化规律,研究加载和卸载条件岩体内部裂纹开裂异同;通过不同压力条件下圆形隧洞围岩开裂分布特征模拟及分析,探索高地应力条件下地下洞室开挖卸荷引起的应力效应及其对围岩开裂的影响,并依据声发射(AE)作为瞬态卸荷引起岩体开裂的判据研究动态卸荷引起的围岩开裂范围。研究表明:开挖卸荷是深埋隧洞围岩发生开裂的重要原因;卸荷持续时间越短引起的围岩开裂范围越大;围岩开裂深度及范围随着侧压力系数增加而增大,且侧压力系数不等于1时,高地应力条件圆形隧洞围岩开裂区域近似呈V型。     

节理岩体中洞室围岩大变形数值模拟及模型试验研究

根据节理岩体的特性，按弹簧块体理论模拟节理岩体中大型地下洞室开挖与锚杆支护的变形特征。同时，开展了开挖条件下节理围岩变形特性和锚固效应的模型试验研究，得到不同初始地应力场条件下，大型地下洞室分步开挖和锚杆支护的围岩力学行为的变化规律，数值计算结果和实测结果所反映的节理岩体围岩的运动规律基本一致。     

卸荷条件下裂隙岩体变形破坏及裂纹扩展演化的物理模型试验

 岩体工程开挖是一个卸荷过程,通过裂隙岩体物理模型试验,研究2种卸荷应力路径下裂隙岩体的强度、变形及破坏特征,并探讨裂隙的扩展演化过程和力学机制。卸荷条件下裂隙岩体的强度、变形破坏及裂隙扩展均受裂隙与卸荷方向夹角及裂隙间的组合关系影响;卸荷速率及初始应力场大小主要影响岩体卸荷强度及次生裂缝的数量,对裂隙扩展方式影响相对较少;卸荷条件下裂隙扩展是在卸荷差异回弹变形引起的拉应力和裂隙面剪切力增大而抗剪力减小的综合作用下的破坏,且各个应力对裂隙扩展的影响大小与裂隙的倾角密切相关。     

基于各向异性模型的引水隧洞围岩稳定性研究

以丹巴引水隧洞石英云母片岩为对象,研究了岩体各向异性特性及开挖卸荷作用对围岩稳定性影响。针对石英云母片岩横观各向同性特性,将Adina中Hill48各向异性模型转化为用Lankford系数描述的横观各向同性模型,从而用泊松比描述各向异性系数,并根据试验结果对模型进行修正,使计算结果更为准确。为考虑岩体各向异性特性下的高埋深高地应力隧洞开挖卸荷作用,提出了一种针对层状岩体变形参数的卸荷弱化方法,应用该方法可得到各自方向的卸荷参数,减少按参数折减法的人为主观性对结果的影响。建立地应力场中3个主应力方向与模型边界垂直模型,并利用在垂直边界施加与3个主应力等值面力的建模方法,极大简化了传统构造地应力场的工作量。将数值模拟结果与实际监测结果进行对比,得出塑性区、应力区与试验洞下游侧边墙位置的岩层鼓胀断裂现象有较好的吻合,说明计算模型的准确性。     

深埋隧洞岩体开挖瞬态卸荷机制及等效数值模拟

 岩体爆破开挖过程中,开挖荷载瞬态卸荷伴随着爆破破岩的裂纹扩展、爆生气体逸出以及新自由面形成等过程而发生。针对深埋隧洞全断面钻爆开挖,确定分段微差爆破对应的分步开挖荷载,分析爆炸荷载耦合作用下的开挖荷载瞬态卸荷方式与持续时间,实现开挖荷载瞬态卸荷的荷载边界条件的数学描述。考虑到炮孔近区岩体因爆破破碎引起的介质连续性的改变及其所经历的复杂应力状态,根据炮孔周围岩体爆破破坏的空间分布特征,基于等效弹性作用边界的概念,提出群孔起爆条件下爆炸荷载与开挖荷载瞬态卸荷耦合作用的等效数值模拟方法。现场实测振动数据验证了计算结果的正确性。     

拉西瓦水电工程高应力坝基边坡开挖扰动 及锚固效应研究

基于对开挖与锚固等施工过程的详细数值模拟,围绕拉西瓦水电工程高应力坝基边坡开挖扰动及锚固效应问题开展深入研究,获得该高应力坝基边坡岩体应力、变形与塑性屈服区的开挖扰动特征及其断层影响效应,分析锚固支护对边坡应力、变形及屈服区的作用效果.研究表明,高应力坝基边坡存在较明显的开挖扰动带和锚固影响带;与常规地应力条件下的边坡相比,高地应力区岩体边坡因开挖导致的卸荷量值会显著增大,其强卸荷效应将使岩体的损伤程度更大;采用分步开挖并逐级锚固的方案进行高应力坝基边坡的加固支护是有效的,锚固支护不仅具有变形约束作用,而且能有效控制一定方向上的应力卸荷强度,从而可降低高应力岩体因开挖卸荷引起的损伤或破裂程度.根据上述结果,提出关于高应力坝基边坡开挖扰动与锚固问题的若干讨论和支护优化建议.作为重大工程典型实例研究,所得结果对类似高应力条件下的岩体高边坡工程具有参考意义.     

基于瞬态卸荷动力效应控制的岩爆防治方法研究

针对深埋圆形隧洞全断面爆破开挖,分析了岩体开挖瞬态卸荷力学过程及引起的围岩应力和应变能瞬态调整机制,讨论了瞬态卸荷动力效应的影响因素。计算结果表明,开挖岩体应变能越大、应变能释放速率越快,岩体开挖瞬态卸荷动力扰动越强烈。基于此,提出了依据炮孔周围爆生裂纹分布判断掌子面上主应力方向,各圈炮孔按掌子面上应变能密度由高到低的顺序分段起爆的施工期岩爆防治方法。该方法通过改变炮孔起爆网络显著地降低了岩体开挖瞬态卸荷的动力效应,可广泛用于水电、矿山、交通等行业深埋洞室贯通爆破。     

白鹤滩柱状节理岩体几何结构特征与卸荷松弛特性分析

针对白鹤滩水电站柱状节理岩体陡峭结构面发育和卸荷开挖过程中垮塌与掉块问题突出的工程难题,在深入开展柱状节理岩体结构特征现场调查基础上,阐明了柱状节理岩体较为特殊的柱体状结构面网络、不规则多边形断面原生节理等特征及其形成原因,并通过现场钻孔摄像和声波测试揭示了柱状节理岩体在开挖卸荷后的岩体卸荷松弛和结构面开裂特性,并在此基础上探讨了柱状节理岩体的支护参数与开挖方案,其研究成果可为同类工程岩体开挖与支护设计借鉴。     

坝基岩体开挖卸荷与分带研究——以小湾水电站坝基岩体开挖为例

 小湾坝基开挖引起了一系列岩体卸荷变形破坏现象,包括岩体中已有结构面的回弹松动与剪切错动,以及完整岩体的岩爆拱裂、薄板状破裂等新生破裂。开挖中岩体的新生破裂面在空间分布上有如下特点：破裂面产状与开挖面具有较好的一致性;在深度分布上,开挖卸荷破裂面相对集中在开挖面之下4～6 m的深度以上。岩体的卸荷变形破坏导致了岩体完整性的显著降低,但卸荷松动过程的主体部分多在几个月内完结。无论是岩体开挖卸荷还是河流天然切割卸荷都是一个能量释放过程,并且卸荷变形破坏具有显著的空间分布规律,因此采用能量方法研究岩体的卸荷分带是合适的。给出了岩体卸荷分带的应变能方法,小湾水电站的实际应用表明该方法是可行的、有效的。     

深埋洞室岩体开挖卸荷诱导的围岩开裂机制

 针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用双向受压条件下的压剪裂纹扩展模型和应力强度因子计算公式,分析开挖面上岩体应力瞬态释放和邻近的围岩应力瞬态调整对围岩开裂过程的影响。结果表明,与准静态卸载条件相比,开挖面上岩体应力瞬态释放在围岩中产生附加动应力,导致围岩径向卸载和环向加载效应放大,加剧了深埋洞室围岩开裂效应,导致开裂范围增大;开挖卸载速率越快,围岩中产生的附加动应力幅值越大,围岩的开裂效应越显著。     

动静力组合作用下深埋隧洞开挖卸荷诱发围岩动力损伤诱因研究

深埋隧洞开挖形成的二次应力场与爆破开挖卸荷诱发的动力扰动组合作用,是导致围岩损伤破坏的主要原因。首先对深埋圆形隧洞开挖二次应力场静力作用下围岩损伤进行分析,然后以溪洛渡水电站城门洞形导流洞上层中导洞爆破开挖为背景,采用动力有限元方法模拟,对高地应力条件下二次应力场作用下爆炸荷载和开挖荷载瞬态卸荷动力扰动诱发损伤区进行计算,并基于实测的爆破振动速度资料对围岩的本构模型进行对比。结果表明,采用随动强化本构模型的计算结果更符合实测资料;随着地应力的增大,围岩二次应力场与动力扰动组合作用诱发的损伤范围也增大,符合理论分析的结果;考虑瞬态卸荷作用的工况与考虑爆炸荷载的工况相比,诱发损伤围岩的体积有较大增加,因此,随着隧洞埋深的增加,瞬态卸荷将成为诸多动力扰动中的主要因素。对围岩损伤的控制,不仅包含减小进尺和单响药量,还可以考虑将掌子面分成多个小断面进行开挖,或利用超前孔释放地应力等减弱开挖荷载瞬态卸荷强度的方法。