大当量爆炸地冲击毁伤效应的理论与试验研究Ⅲ：深埋洞室地冲击效应模拟试验研究

为厘清开挖扰动和大当量爆炸地冲击扰动对深埋洞室破坏的影响机制，采用自主研制的深埋洞室地冲击效应模拟试验系统，开展从地应力加载、洞室开挖到地冲击扰动加载全过程的相似模型试验。试验模拟了600 m埋深洞室开挖过程，以及封闭爆炸当量90 kt、比例爆距为133 m/kt^1/3时的地冲击扰动诱发工程破坏现象。试验成功模拟了颗粒弹射、板裂和块体激活等现象。得到冲击扰动作用下洞周应力、应变和位移的变化规律以及深部洞室的破坏机制。证实了比例爆距为133 m/kt^1/3时，洞室处于轻微破坏区。此外，通过开展重复地冲击扰动下的洞室稳定性研究，成功模拟岩爆、板裂、掌子面坍塌等工程灾害，得到重复地冲击扰动下洞室的破坏机制。试验的成功开展，为大当量地下爆炸作用下深埋洞室防护和安全范围确定奠定了重要的基础。     

大当量爆炸地冲击毁伤效应的理论与试验研究Ⅰ：深埋洞室地冲击破坏的现场实测分析

为厘清地冲击扰动作用下的深埋洞室破坏机制，建立地冲击毁伤的判别准则，系统总结、分析国内外大当量地下爆炸试验及爆破中的深埋洞室破坏现象及规律。按照距爆心的距离，将爆炸破坏分为地冲击破坏和诱发工程性地震破坏2种。采用经验估计和应力判别2种方法，计算并对比地冲击破坏各分区的边界范围和破坏特征。通过系统总结、分析现有研究，提出岩体的含能特征和构造特征是诱发工程性地震破坏产生的原因。进而从块系介质变形的本质入手，梳理爆炸条件下块系介质变形的基本概念和力学模型，分析比例爆距和激活块体尺度的关系。而后综合现有研究，提出以能量因子为参量的破坏效应分析方法，得到不同爆炸当量下位移的边界范围，并以能量因子为指标参数，实现了从近区到远区、从封闭爆炸到触地爆炸的各破坏区变形的统一表征，为大当量地下爆炸条件下安全范围确定及相关工程防护技术建立奠定了理论基础。     

冲击岩爆试验系统研发及试验

依据岩爆发生时的力学状态,岩爆可以分为应变岩爆和冲击岩爆两大类型。冲击岩爆是深部岩体受静荷载和冲击动荷载共同作用所致,其试验系统的研发是岩石力学界的难题之一。设计并研发冲击岩爆试验系统,并进行冲击岩爆试验。该试验系统设计16种简谐波,通过其组合叠加,可以实现对开挖爆破、顶板垮落、断层滑动等冲击扰动波的模拟。试验采用加载至三向不同应力状态下的带圆形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σ1方向施加扰动波,σ2,σ3保持在恒定应力水平的加载方式,通过伺服控制系统,实时采集砂岩试样冲击岩爆过程中的力和位移数据,获得全过程三向应力–应变曲线。通过图像采集系统,实时拍摄砂岩冲击岩爆全过程,获得该类型岩爆过程剥离、弹射等特征现象。并进行类似的静力加载破坏试验,观察其破坏现象与冲击岩爆过程的差异。通过对巷道单元岩体动应力和能量的分析,建立冲击岩爆的动应力和能量判别方法。     

深部巷道动静载试验系统研制及初步应用

为研究动静载作用下深部巷道围岩破坏失稳机制,自主研发一套新型深部巷道动静载试验系统。该系统由主体框架、箱体、移动平台、静态加载系统、动载扰动系统和巷道反力装置组成,可实现“高静载+动载扰动”复杂应力加载条件。本文以深部巷道围岩应力演化过程为依据,初步开展验证性试验。结果表明：该试验系统框架结构紧凑、箱体移动便利、系统操作简便;静态加载系统可实现轴向与侧向分级同步均匀加载,且具备长时间保载功能;动载扰动系统中的作动器可根据预设波形进行循环加卸载扰动,轴向落锤扰动装置和侧向摆锤扰动装置可进行单次锤击扰动;巷道反力装置虽然一定程度可模拟巷道开挖卸荷行为,但不便于观测巷道围岩变形破坏过程,后续将以人工开挖巷道方式开展相关研究;巷道围岩应力分布规律与现场实际相符,试验系统能够较好地还原地下工程中动静叠加复杂应力环境。研发的试验系统可开展大尺度深部巷道物理相似模型试验,对于研究深埋巷道动静载叠加诱冲机制、复杂应力环境下巷道围岩变形破坏规律、卸–支协同防冲作用原理以及远场能量传播衰减机制等具有重要价值与意义。     

冲击荷载作用下红砂岩块体滑移特征试验研究

岩爆是深埋工程开挖过程中常遇到的动力灾害。为了进一步理解滑移型岩爆的触发机理,本文利用块系岩体动态特性试验系统,进行冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验,获得了冲击扰动诱发岩块不可逆位移、滑移失稳的规律、影响因素及临界能量阈值。试验结果表明:冲击扰动诱发岩块间不可逆位移只需冲击能量达到一定阈值,而冲击扰动诱发岩块间滑移失稳(滑移型岩爆)则必须同时满足接触面(断裂面)处于高切向地应力水平的准稳定状态和岩体运动的冲击能量达到一定阈值。重复冲击荷载试验进一步说明:水平静力及冲击力幅值越大,诱发岩块滑移失稳所需要的扰动次数越少。     

高宽比及应力波扰动对砂岩块体超低摩擦影响试验研究

为揭示层状岩体在应力波扰动作用下岩块尺寸对超低摩擦型冲击地压影响机制,以沈阳红阳三矿顶板砂岩块体为研究对象,将5个块体上下依次叠放置于自主研制块系岩体超低摩擦试验装置加载腔内,始终以中间块体为工作块体,用不同工作块体的高宽比H_s/H_w(0.8～2.0)模拟不同构造层次或同一构造层次不同破碎程度的岩体,通过对块系模型系统施加应力波扰动P_v(频率0～10 Hz、振幅0～1 MPa)模拟爆破、顶板断裂、集中开采等扰动作用,施加轴压F_v和水平冲击F_h分别模拟岩体上覆岩层压力和顶板断裂冲击作用,开展应力波扰动作用下高宽比不同的砂岩块体超低摩擦试验。以高宽比作为反映岩块尺寸的表征指标,以应力波扰动频率和振幅作为反映扰动作用的表征指标,以工作块体水平位移作为超低摩擦效应强度的表征指标,分析得到轴压、应力波扰动及水平冲击组合作用下高宽比及应力波扰动对砂岩工作块体的超低摩擦效应强度影响规律与能量演化特征。研究结果表明：应力波扰动、轴压及水平冲击作用一定时,工作块体水平位移随其高宽比增大而呈递减趋...     

大尺度三维巷道冲击地压灾变演化与失稳模拟试验系统研制与应用

自主研制大尺度三维巷道冲击地压灾变演化与失稳模拟试验系统,采用液压加载提供静荷载模拟初始地应力场,炸药爆破模拟动载源,对深部巷道在动静载组合作用下的冲击失稳过程进行研究。试验过程中借助网络并行电法测试系统、静态应变采集系统、超动态应变采集系统、高速摄像机、加速度传感器等多种监测手段,实现了巷道冲击失稳破坏过程中应力场、变形场、地电场等多源信息的同步采集。测试试验结果显示:巷道开挖阶段,受开挖卸荷影响,巷道浅部围岩应力状态劣化显著,形成一定范围的高阻区,而围岩深部区域则出现一定程度的切向应力集中,视电阻率值较低,表明巷道浅部区域岩体由弹性向塑性状态转化,而围岩深部则积聚了大量弹性能,为冲击地压的发生埋下隐患。动载施加瞬间,冲击动载与高静载叠加并超过围岩体承载能力,巷道围岩深部积聚的弹性能得到释放,致使顶板浅部松散破碎岩体向开挖空间瞬间抛出,在冲击应力波反复作用下,巷道两帮及底板也出现大量的拉剪裂纹。结果表明该系统稳定可靠,能够较为真实的再现动静载作用下深部巷道冲击失稳过程,对研究不同支护结构巷道在冲击荷载下的破坏试验能够起到一定的指导作用。     

地冲击作用下深埋地下结构性能指标有限元分析及其静载试验设计

为了得到地冲击荷载作用下深埋地下结构可用于易损性研究的性能指标,分析了爆炸荷载作用下深埋直墙圆拱地下结构的动力响应规律和特点,提出等效静载计算模型,对比静载、动载作用下结构变形、受力和破坏状态。分析结果表明：静载模型可以反映地冲击荷载作用下地下结构整体弯曲变形及局部破坏状态,证明了将圆拱顶部挠度作为地冲击作用下地下结构性能指标合理有效。设计确定地冲击作用下地下结构性能指标静载试验方案,即模型几何缩尺为3/10,采用抗压强度为40 MPa的微粒混凝土和HRB400细钢丝制作结构模型,利用抗压强度为20 MPa的细骨料混凝土模拟围岩;试验初始阶段采用力控制加载,待结构屈服后转为位移控制加载;承载力上限约为5 000 kN。     

高地应力真三维加载模型试验系统的研制及其应用

为模拟深部岩体在高地应力条件下的非线性变形破坏特征,研制出一种高地应力真三维加载地质力学模型试验系统,该系统主要由高压加载系统、智能液压控制系统和反力装置系统组成。高压加载系统用于给试验模型施加三维高地应力荷载,主要包括加载板和大吨位液压千斤顶。为解决相邻加载板因三维加载引起模型体压缩而出现的相互妨碍,即"打架"现象,在试验模型体外设置了中空的正方体导向框。通过前后加载板上设置的导洞盘保证了模型洞室在轴向地应力状态下进行开挖,解决了地下洞室试验模型轴向加载开挖的难题。智能液压控制系统用于试验模型的自动加载与稳压,主要包括试验控制台和智能控制传感器。反力装置系统用于给试验模型提供加载反力,主要包括模型反力架、法兰盘和反力传递板。通过工程应用,有效模拟出深部巷道围岩分区破裂–的非线性变形破坏现象。     

动静荷载联合作用下冲击地压巷道破坏机制大型地质力学模型试验研究

采用静载模拟巷道初始地应力场,TNT爆炸模拟冲击地压,利用大型地质力学模型试验机对巷道在动、静荷载联合作用下的响应规律进行研究.试验中施加了相当于相似材料单轴抗压强度的最大静压力,荷载侧压比为1/3.在模型内部相同位置依次施加10,15和20 g TNT动荷载,在最后一次爆炸荷载作用下,洞室出现抛掷型冲击地压破坏现象.试验结果表明:巷道冲击地压灾害是动、静荷载联合作用的结果;在冲击瞬间作用下,冲击荷载与已存在静荷载叠加,使得巷道围岩压力迅速增加,叠加后作用力大于围岩承载能力时,引发围岩冲击破坏;围岩产生的冲击变形与巷道开挖后产生的初始变形叠加,形变超出围岩的变形能力时,洞壁首先发生破坏.围岩变形和冲击破坏范围与冲击力的大小及地应力水平相关性显著.     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(Ⅱ):冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验

深部岩体为具有块状层次结构的含能地质体,在冲击扰动通过块系岩体向前传播的振动过程中,极易诱发原先处于平衡状态的岩体的内应力释放,产生不可逆变形、岩爆、工程地震等工程灾害。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行不同初应力条件下冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验,获得冲击扰动诱发岩块不可逆位移、动力滑移失稳的关键力学机制、规律及充分必要条件。通过深入研究冲击扰动下初应力岩体运动的能量转化机制,推导得到了支配岩块运动规律的特征能量因子,给出了与不同规模的岩体破坏(不可逆位移、动力滑移失稳)相适应的特征能量因子阈值和判别准则。研究表明,基于特征能量因子的判别准则能较好的表征冲击扰动诱发岩块间不可逆位移和动力失稳的特征科学现象。     

爆炸地冲击作用下深埋地下结构模型试验研究

为研究爆炸地冲击作用下深埋地下结构的动力响应、破坏模式和损伤机理,以岩石介质中的深埋直墙圆拱结构为研究对象,设计并开展了缩尺比为1∶20、比例爆距为1.69的正顶两次爆炸地冲击作用下地下结构的缩尺试验,对试验的宏观现象和实测数据进行分析,结果表明：初次爆炸和二次爆炸作用下,围岩模型表面和装药口附近破坏状况较为严重,地下结构的破坏较为轻微,结构整体产生向下的压弯变形,拱顶内表面产生一条轴向裂纹;爆炸地冲击作用下,深埋地下结构模型的反应以整体振动为主,加速度响应较大,还原到原型结构的拱顶和底板峰值加速度最大可达107.05g和97.15g;初次爆炸中结构上部的围岩破坏以及拱顶位置处的轴向裂缝导致局部刚度减小,二次爆炸时,结构拱顶位置处的局部加速度反应有所增大;而初次爆炸形成的围岩破碎区及裂缝加剧了二次爆炸时地冲击波能量的衰减,导致结构承受的地冲击压力减小,结构应变及底板位置处的加速度响应减小;原型结构底板位置处对应于人体自振周期范围内的谱加速度最大超过10g,存在安全风险。     

岩体真三轴现场蠕变试验系统研制与应用

 针对高地应力环境岩体开挖卸荷后应力变化复杂等特点,研制RXZJ–20000型微机伺服控制岩体真三轴现场蠕变试验系统。详细介绍该系统的主要结构、功能特点及使用方法。通过工程实践验证,该系统具有高应力、大尺寸、全过程、高精度、高效率、多功能及拆卸安装方便等特点。RXZJ–20000型现场真三轴蠕变系统改变了目前现场蠕变试验设备载荷水平低、压力波动大、测试精度低、应力路径单一、自动化程度不高的状况。该系统的成功研制,为研究深部岩体在多向应力条件下的时效性提供新的手段,是目前国内外最先进的大型现场伺服试验仪器,适用于大型人工边坡、深埋大跨度隧道及地下洞室的坚硬岩体和软岩长期蠕变试验。     

深埋隧洞爆破开挖地应力瞬态卸荷诱发围岩振动控制方法研究

爆破引起的开挖面上岩体地应力快速释放是深埋洞室爆破施工主要动力扰动因素之一。针对深埋圆形隧洞全断面毫秒延迟爆破开挖过程,分析开挖面上地应力瞬态卸荷诱发围岩振动的力学机制及其影响因素,在此基础上从掏槽方式选择、孔网参数布置、起爆网路优化的角度详细探讨诱发振动的控制方法。研究表明,通过设计合理的钻爆参数可降低开挖面上的地应力、延长卸荷持续时间、减小开挖面的大小,从而达到控制地应力瞬态卸荷诱发围岩振动的目的。研究成果对深地资源开采、深地空间开发利用等相关行业的深埋洞室爆破施工具有一定的指导作用。     

一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究

 利用研制的岩石动静组合加载SHPB试验装置,系统研究岩石在一维动静组合加载下的冲击破坏特性。首先按照一维应力波传播理论,对动静组合加载的试验原理进行理论论证。试验过程中预先在轴向施加不同载荷,按照静载强度的20%,30%,40%,70%,80%和90%等6个系列进行,然后沿轴向进行冲击加载,考察岩石的临界破坏承载强度。研究结果表明：在临界破坏的情况下,动态冲击的应力–应变曲线(包括常规冲击和动静组合加载)最后都会出现总应变减小的现象,这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致。在轴向静压较小时,岩石的组合加载应力–应变曲线跟常规的冲击试验曲线类似;轴压较大时,岩石的组合加载应力–应变曲线没有初始的近似线弹性段,直接从非线性段开始。随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势,大约在静载强度60%时,抗冲击强度达到最大值。在入射能较小时,岩石吸收的能量会缓慢增加,在入射能较高时,岩石吸能会快速增加。常规冲击下岩石的临界破坏模式为劈裂形式,动静组合加载下呈现压剪形式。     

应力波扰动下孔洞块体超低摩擦效应试验研究

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能量变化特征。研究结果表明:应力波扰动通过顶板向下传播会使巷道块体在长时间拉压作用下形成疲劳损伤,巷道稳定性大幅降低,此时巷道极易在水平冲击作用下产生超低摩擦效应,尤其是垂直方向应力波扰动频率趋于2 Hz时超低摩擦效应强度最大;含孔洞砂岩块体超低摩擦效应强度与应力波扰动强度成正比;同一水平冲击及应力波扰动作用下,含孔洞砂岩块体单位质量动能幅值及功率谱密度幅值均大于完整砂岩块体,含孔洞砂岩块体稳定性远低于完整砂岩块体稳定性。     

深部岩体动态特性多功能试验系统的研制

为探索深部岩体的动态力学特性,研制深部岩体动态特性多功能试验系统.该系统主要由加载装置和量测系统组成,其中加载装置包括延时控制系统和加载工作台,量测系统由光纤位移计、加速度传感器、电荷放大器、高速数字采集处理系统和电脑组成.加载时通过合理选择锤重、锤高、摆长、摆角和作用时间间隔等试验参数,利用电子和机械控制装置,实现试验所需要的水平静载、水平冲击和垂直冲击等多种形式的荷载组合,达到预设的冲击延时.进行块体间摩擦因数测量、摩擦减弱效应等试验,其应用情况表明,该系统结构新颖、指标先进、灵活方便、荷载可以任意调整,为研究深部岩体如超低摩擦特性、准共振特性和摆型波等特殊力学现象,提供方便、可靠的试验设备.     

落锤冲击气囊施加均布动荷载的试验方法

在结构构件上施加均布冲击(爆炸)荷载一直是动力试验领域的难题。提出了一种落锤冲击气囊施加均布动荷载的试验装置,和一个双自由度弹簧阻尼冲击加载简化分析模型;给出了该模型的基本力学方程、边界条件和求解方法,并进行了有限元验证;建立了所提出冲击加载试验装置的精细化有限元模型,分析了构件上各受荷区域的荷载均布情况,验证了所提出装置的可行性。基于所建立的简化分析模型,讨论了刚度、荷载作用时间和阻尼比等关键参数,对构件上动荷载的影响,并给出了基本规律。计算结果表明,在选定合适的参数后,落锤冲击气囊试验装置能够较好地模拟构件上的均布动荷载,为实验室中进行爆炸冲击试验提供了一种可能。     

深埋隧洞开挖爆破损伤数值模拟及损伤机制研究

深埋隧洞爆破损伤直接影响到隧洞施工安全,支护设计中也须着重考量,目前应力条件对爆破损伤产生机制的影响尚未完全揭示,且缺乏兼顾计算效率与计算精度的群孔起爆爆破损伤数值模拟方法。依托锦屏二级水电站辅助洞开挖,提出一种基于法向冲击荷载的爆破损伤模拟方法,通过数值模拟与损伤区原位监测的对比分析,分析了该方法的可行性;并基于该方法研究不同应力条件下爆破损伤孕育机制。结果表明,采用提出的法向冲击荷载可以有效模拟爆破开挖扰动作用下岩体的损伤效应,与传统爆炸荷载施加方法相比,模型最大网格尺寸与最小网格尺寸比值减小82%,计算时间减少50%～87%;隧洞开挖爆破损伤深度与应力水平具有明显的相关性,随着地应力的增大爆破损伤呈先减小后增大的趋势。地应力存在时,爆炸荷载的施加在一定程度上提高了围岩的屈服极限,具体表现为一定程度的地应力对爆破损伤起"抑制作用"。地应力水平较低(小于12.5MPa)时,爆破主要造成拉剪损伤,而当地应力水平继续增大时,拉损伤受到抑制,爆破主要造成纯剪损伤。     

复杂地应力环境大型地下洞室围岩时效变形机制及力学模拟

提出复杂地应力环境下大型地下洞室开挖围岩时效变形机制及其力学模拟方法。基于变形监测资料和岩体力学分析认为,中高地应力条件下岩体由高围压环境急剧转变为低围压、高应力差环境的力学机制和工程开挖引致围岩扰动破坏的空间效应是复杂地应力环境中洞室围岩时效变形的主要作用机制。采用应力释放有限单元法模拟洞室动态开挖过程,通过引入时间因子,建立开挖荷载释放与空间扰动效应的时间相关函数,提出基于时效变形过程的开挖荷载分时分级释放方法和基于主、次级开挖松动区的围岩变形模量劣化模型。工程实例表明：该方法通过将开挖荷载释放与开挖扰动空间效应耦合计算,能够合理有效地模拟大型地下洞室施工开挖全过程围岩的时效变形力学行为,对于理解和控制复杂地应力环境大型地下洞室高边墙变形破坏行为和时空效应,优化洞室施工开挖支护与监测反馈等具有一定的应用价值和实践意义。