岩体爆破累积损伤效应声波频谱特征分析

为揭示岩体爆破损伤累积扩展规律及其与岩体声学变化特性之间的内在联系,在某地下工程围岩中进行了10次小药量爆破岩体损伤的现场声波测试。为充分利用岩体声波测试信号中的有效信息,弥补单纯声波速度分析的不足,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。研究结果表明,随着爆破次数增加,岩体声波频谱特征呈现如下变化规律:(1)岩体爆生裂隙不断增加和扩展,声波测试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;(2)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;(3)随着爆心距的增大,岩体声波频谱变化程度逐渐减弱。     

爆破震动测试及减震措施

论述了爆破震动测试的内容、方法以及作用,爆破震动衡量的标准,并给出了相应的计算公式,也相应地提出了一些减震的措施。     

爆破动荷载作用下围岩累积损伤效应声波测试研究

基于声波测试原理,利用RSM-SY5智能型声波仪,对厂坝铅锌矿某巷道围岩在爆破动荷载作用下产生的累积损伤效应进行了现场试验研究。研究表明:既有开挖爆破对巷道围岩的影响深度为0.8～1.2 m,根据钻孔的深度,在3.5～4.8 m深度的岩体内进行爆破累积损伤效应研究是可行的;随着爆破次数的不断增加,岩体声波速度逐渐降低,损伤度D呈现出非线性累积规律;随着与爆源距离的增大,岩体爆破损伤程度减小,累积损伤效应逐渐变得不明显;水平和垂直方向测试结果存在较大差异,说明爆破作用下岩体损伤具有各向异性的特征。爆破装药位置和药量对岩体损伤累积规律有一定的影响。装药区段范围内的岩体损伤程度最严重,装药量越大,岩体损伤程度也越大。测试成果为进一步的岩体力学参数研究和地下洞室稳定性分析提供了参考依据。     

岩体爆破损伤声波测试信号频谱特征的小波(包)分析

 岩体爆破损伤特性除了影响声波速度外,同时造成声波能量衰减和频谱特征的变化。为弥补单纯声波速度分析的不足,更好地利用岩体声波信号携带的丰富信息,在某地下工程围岩中开展10次小药量模拟爆破岩体损伤声波测试研究。针对傅立叶分析的缺陷,运用小波(包)变换方法,对声波测试信号的频谱特征进行分解分析。研究结果表明：(1) 经小波(包)变换得到的爆破前后岩体声波频谱特征变化规律非常明显;(2) 2–4,2–5和2–6尺度下小波分量的幅值和功率谱密度远大于其他尺度下的小波分量的幅值和功率谱密度,对岩体爆破损伤的敏感性较好;(3) 岩体爆破损伤作用导致声波测试信号的能量集中区和最大能量分布百分比对应的频段(频率)向低频方向偏移。研究成果对于揭示岩体爆破损伤与声波测试信号频谱特征之间的内在联系具有一定的指导意义。     

预裂爆破震动效应试验研究

为研究预裂爆破震动效应,在山东石岛湾核电站基坑进行多次爆破和声波测试试验,得到场地爆破震动衰减规律和爆孔下卧基岩的损伤范围。试验结果表明,岩性相同时,基岩损伤深度随最大段药量的增加而线性增加,随质点峰值震动速度增加而呈指数增加;离爆源越近,岩体受损程度越大;预裂爆破对爆孔上部岩体影响较大。同时,在试验的基础上,建立距爆源30 m处质点峰值震动速度与对应爆破影响下卧基岩深度的函数关系,进而确定以质点峰值震动速度为参考指标的预裂爆破安全控制标准,并在基坑边坡爆破中验证该控制标准的有效性。     

熊渡隧道小净距段爆破振动监测与分析

结合熊渡隧道群爆破震动监控量测实践,阐明小净距隧道在爆破震动作用下的动态响应规律。结果表明：近爆源作用下的临近隧道应引入多参数的震动安全判据来执行严格的爆破控制;震动速度主要取决于爆心距和测点位置,爆心距越小震动速度越大;中夹岩墙上的爆破震动速度最大,其次是拱肩、拱脚上的测点;各测点的径向震动速度大于垂向,垂向大于切向;震动频率是径向小于切向,切向小于垂向,并且各测点切向震动速度和频率都接近于三矢量合成后的速度和频率。所以,相似条件下隧道爆破震动控制可以只监测与爆源断面相同的中夹岩墙上的径向震动,从而简化爆破震动监测。     

广东岭澳核电站爆破开挖岩体损伤特征研究

为控制爆炸荷载作用下岩体的损伤范围,在岭澳核电站二期工程现场进行了爆前、爆后岩体声波测试,得到岩体的损伤范围。以此为基础,根据爆炸荷载作用下岩体损伤发展规律,基于概率形式定义损伤变量,利用有限元程序LS-DYNA和有限差分程序FLAC3D相结合的方法,对现场基岩爆破产生的岩体损伤范围进行数值模拟,并与现场岩体声波实验结果进行比较,确定爆炸荷载作用下岩体损伤门槛值Dcri=0.2,由此得到了岩体损伤范围随装药量的变化规律。结论认为,在柱状装药情况下,岩体损伤范围随装药量的增大而增大;爆炸荷载作用下的岩体损伤区深度小于损伤区半径,二者比例约为1∶3。     

公路隧道爆破开挖动力测试与分析

通过既有隧道的动力测试，在爆破震动作用隧道围岩与衬砌质点振动速度波频谱分析与质点振动速度幅值分析的基础上，研究分析了公路隧道混凝土衬砌及其围岩在爆破地震波作用下的力学性质特征，为合理与有效地保护隧道衬砌提供了依据。     

三峡工程卸荷岩体声波测试及其参数研究

通过现场开挖边坡卸倚岩体不同距离的声波测试，研究了卸荷岩体的声波传播特性，并采用卸荷岩体力学的观点和方法，对声波测试结果进行了分析，得到了不同方向声波速度的变化规律，并发现其具有明显的正交异性特征，然后根据声波的传播特性，划分了边坡开挖后岩体不同的卸荷区域，确定了各卸荷区岩体宏观力学参数，最后与试验结果进行了比较，得到了比较一致的结论。     

考虑岩体完整程度的岩石爆破损伤模型及应用

现有爆破损伤本构模型未能考虑岩体完整程度对爆破作用效果的影响。为此,对Yang等提出的爆破损伤模型进行了改进,建立考虑初始损伤的弹塑性爆破损伤本构模型及提出用于评价围岩受爆破影响的损伤判据。该本构模型包含初始损伤变量和岩体完整性指数、声波波速等参数间的关系式,并利用岩体初始完整性指数的变化考虑其完整程度对爆破损伤作用的影响。把该模型引入到LS-DYNA数值软件中,并结合工程实例进行数值模拟,得到爆破损伤云图及相应的爆破影响范围。然后将计算得到的爆破影响范围与现场实测值、基于常用的TCK爆破损伤模型的数值计算结果进行了对比。最后,分析了爆破影响最大半径、最大深度与岩体初始完整性指数间的关系。研究表明,爆破影响最大半径、最大深度均随岩体初始完整性指数的减小而增大,且前者的变化更为显著。基于所提出模型的数值计算结果和现场实测值较为符合;提出的损伤模型可为考虑岩体完整程度对爆破开挖影响的理论研究和工程实践提供参考。     

顺层边坡岩体的爆破振动特性试验研究

以顺层岩质路堑开挖爆破为背景,针对深孔爆破与小台阶爆破两种爆破方法进行了5次现场爆破试验,在测定不同方向上岩体质点振动速度的基础上,分析层状岩体的地震波传播特征及其影响因素。研究结果表明:深孔爆破产生的地震强度是小台阶爆破的5倍以上;同一次爆破中,深孔爆破沿走向的振动速度是垂直走向的1.1~1.4倍,而对于小台阶爆破的相应值为1.2~1.9倍;在顺层岩质路堑施工中,可采用预留保护层的深孔爆破分部开挖方案,并通过微差起爆技术限制单段最大装药量,以达到降震目的。     

高速公路石方路堑爆破开挖工法研究

分析了目前高速公路路堑爆破开挖施工方法,提出了岩石路堑爆破开挖必须综合考虑岩性、地形地貌和周围环境状况,采用优化的爆破施工方法。参照隧道围岩的分级方法,对路基岩石进行了分级探讨,坚硬岩石采用预裂爆破,软岩采用预留保护层进行光面爆破等技术措施,避免对边坡产生破坏,控制爆破飞石、爆破振动对周围行人和建筑物的影响。     

基于前馈网络的岩体爆破效应预测研究

将神经网络理论知识和爆破专业知识有机地结合在一起，提出了一种新的岩体爆破效应预测的前馈网络理论方法。该方法适合于不同的爆破参数和不同的岩体条件，是一种普遍适用的方法，同时也是一种“面向数据”的方法。通过对三峡工程左岸坝区岩体爆破效应预测的研究表明，本文方法与通常的经验公式法、回归分析法以及ＢＰ网络方法相比，具有较高的预报精度     

基于HHT分析隧道围岩结构爆破累积损伤效应

为确保隧道在循环爆破荷载作用下的使用寿命和稳定性能,提出了基于爆破振动信号分析隧道围岩结构爆破累积损伤效应的新方法。依据监测试验获取的振速时程曲线,采用HHT理论将其变换为瞬时能量谱,对比爆破振动信号波形面积方法,针对质点振动能量分析隧道围岩结构物理力学性质的强弱效应,同时应用LS-DYNA数值软件的重启动命令,通过相同节点2次爆破X方向振速时程曲线验证新方法的准确性。研究结果表明:隧道DK497+286、DK497+291、DK497+296里程点3个方向振动能量均呈现下降变化趋势,说明爆破振动累积荷载对隧道监测点处围岩结构产生了破坏作用,并且垂直方向受爆破累积损伤最为严重,因此,需要根据围岩等级和在围岩等级改变处50 m范围内增加支护强度,保证隧道围岩结构安全。     

隧道爆破下建筑结构局部应力响应及损伤研究

依托新红岩隧道工程,探究了隧道典型爆破地震波与砌体低阶与高阶模态之间的关系,研究了不同工况爆破振动下砌体结构不同构件上的应力响应。砌体结构局部构件上的内力响应远比位移响应要显著,并且与质点的振速约成正比。在峰值振速相同条件下,当隧道爆破振动主频较高时,引起建筑物高阶局部模态下的动力反应,竖向振动引起的结构局部构件上的应力较大;反之,爆破振动主频较低,引起建筑物的低阶整体模态的动力反应,水平振动(结构弱轴方向)引起结构局部构件上的应力较大。砌体结构上的门角、窗角等应力集中部位最容易受损开裂,其次是在峰值振速较高时,局部振动较大的女儿墙、中隔墙等部位及砖墙与混凝土接触的部位也可能受损开裂。     

岩体的压剪损伤机理及其在岩爆分析中的应用

本文探讨了压剪裂纹的启裂和扩展准则，对前人的经验性判据进行了理论分析，在此基础上建立了考虑裂纹闭合效应和裂纹相互作用的岩体压剪细观损伤力学模型。根据压剪损伤模型，发现岩爆是在洞室开挖过程中（或开挖完毕后）围岩发生应力调整（切向应力增加、径向应力减小）而诱发岩体中的预存裂纹发生摩擦滑移、界面扩展、裂纹扭折以至裂纹相互连接而导致围岩发生宏观脆性断裂的产物。数值模拟结果表明：本文建立的压剪损伤模型的计算结果与实验结果具有良好的一致性，并且裂纹闭合应力对岩体的应力－应变关系具有明显的影响，表现为损伤应变随裂纹闭合应力的增加而增加，尤其是侧向应变更加显著。     

考虑爆破瞬态卸荷的深部岩巷损伤范围研究

为了研究深部岩石巷道爆破瞬态卸荷的损伤效应,本文采用弹性动力学方法,利用Laplace变换和留数定理求解了深部岩巷爆破卸荷瞬态应力场的动态解析解,结合拉伸损伤和剪切损伤的阀值条件,给出了损伤破坏区的范围和损伤程度,并探究了损伤区分布的影响因素。算例表明,围岩以拉伸损伤破坏为主,岩石的脆性越强,损伤变量越大。爆炸荷载越大,拉伸和剪切损伤破坏区范围越大;原岩应力越高,拉伸损伤破坏区越小,剪切损伤破坏区越大,原岩应力对拉伸损伤效应有显著的“抑制”作用。当岩石单轴抗拉强度较小、内聚力较大时,围岩只存在拉伸损伤区不存在剪切损伤区;当岩石单轴抗拉强度较大、内聚力较小时,围岩既存在拉伸损伤区又存在剪切损伤区。     

崩塌体失稳关键区岩石损伤特性试验研究

针对导致大型高陡危岩失稳的底部关键区域损伤劣化问题,通过声发射试验以及数值模拟试验获取关键区岩石试样在三轴压缩过程中的应力应变及声发射特征参数,利用损伤理论对试样的损伤特性与演化规律进行分析。研究结果表明:试样呈现出典型的脆性岩石破坏特征,伴随能量集中释放,在主破裂出现时刻声发射计数骤增;随着围压升高,声发射活跃频度增大,沉寂期缩短;不同围压下累计声发射计数曲线均呈现出初期平缓—中期缓增—后期陡升的阶段性特点,并与应力应变曲线具有良好对应关系;数值模拟试验所得到的力学及声发射数据能够合理反映并补充声发射试验结果,两种试验方法获取的岩石损伤性质参数及其趋势规律基本一致;基于累计声发射计数构建损伤变量,据此可定量化分析试样及危岩失稳关键区的损伤演化状态。本研究对具有相同失稳模式的高陡危岩损伤特性分析具有重要参考。     

裂隙岩体损伤局部化分析

裂隙岩体损伤局部化与裂隙扩展状态密切相关,裂隙扩展到一定长度后裂隙的扩展状态发生分叉,一部分裂隙继续扩展,另一部分裂隙停止扩展。裂隙岩体损伤局部化是由裂隙扩展状态分叉产生的,损伤局部化起始位置也取决于裂隙扩展状态。通过对多裂隙扩展状态的分叉分析,得到了含矩形分布裂隙岩体损伤局部化弯折裂纹临界扩展长度及临界应力。根据系数矩阵的特征值与特征向量,确定了裂隙岩体损伤局部化的位置,而且考虑了裂隙之间的相互作用。最后,通过算例分析得到了裂隙岩体损伤局部化临界应力与裂隙列间距、行间距、围压和原生裂隙倾角的关系。