深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应

深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应对于国防和民防工程及其他抗爆抗震工程的防护设计和效应分析具有重要意义.国内外通过核试验、大型化爆试验、小型模拟实验、材料特性研究、理论解析、数值模拟等方法取得了一些研究成果,但有许多问题解决得不够系统和完备.基于工程观测资料,采用现场试验数据综合分析、小比例化爆模拟实验和岩石脆性破坏模型的三维动力有限元数值模拟的方法,研究了深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下随着各种条件的变化而发生的破坏效应.根据爆炸硐室工程破坏现象和相关力学条件,总结了硐室宏观破坏的一般图象、变化特征和影响因素等规律,编制出新的硐室破坏分区表,可供类似条件下的工程概略设计与分析使用.水泥砂浆材料小比例化爆模拟实验表现了完整多孔硬岩中硐室应力波破坏的特征,是对核试验成果的有益补充.水泥砂浆中硐室破坏方式表现为压垮、围岩强烈塑性变形和产生裂隙,硐室稳定性比裂隙硬岩中要好,存在口部加剧效应和多硐相互作用.扫描电镜试验表明,硐室微观损伤破坏变化规律与宏观破坏现象是一致的,可以用水泥砂浆中的砂粒是否明显破坏作为硐室发生宏观严重破坏的微观标志.根据微观损伤特征,可以看出硐室破坏随比例距离、硐室轴向、断面形状和尺寸而变化的趋势.同等条件下,直墙拱顶形硐室比圆形硐室破坏严重,大硐室比小硐室破坏严重,且应力波从侧向作用的硐室比应力波沿轴向作用的硐室、直墙拱形硐室比圆形硐室的尺寸效应强烈.在数值模拟研究中,采用了实测经验应力波规律和能表现材料破坏后性能劣化及脆性破坏非连续各向异性发展的材料模型,建立了适用的硐室工程破坏准则,编制了动力有限元参数化分析的计算程序,计算了大量模型的硐室破坏历程和最终工程状态.工程实例计算表明,数值模拟方法是合理可行的.通过数值模拟研究了荷载特征参数以不同方式变化、硐室大小、形状和轴向不同以及存在围岩松动圈、岩体各向异性弱化时和水饱和岩体中硐室受应力波破坏的效应.数值模拟表明,其他条件相同,硐室破坏程度随比例距离非线性地单调变化,在破坏方式有明显改变时硐室破坏形态会突变.当量、作用时间、硐室轴向、围岩松动圈、各向异性围岩弱化及岩体水饱和因素对硐室破坏的影响与荷载量级有关,当荷载较低时与荷载较高时影响效果不同,有时截然相反.硐室尺寸加大会使破坏形态改变,破坏加剧.在抗水平爆炸应力波作用下,矮墙拱顶形硐室比高墙拱顶形有利.药量立方根几何相似律对岩硐破坏具有较大的局限性.在载荷较高而峰值相同时,当量愈大硐室破坏愈重,载荷作用时间愈长硐室破坏愈厉害.围岩松动圈能使围岩拉应力状态削弱、压剪性破坏增强.围岩定向弱化能明显改变硐室破坏形态,弱化方向的影响非常突出.水饱和岩体中的硐室在应力波较强时比干花岗岩中破坏强烈,但应力波较弱时却相反.化爆模拟实验和数值计算都表明,在一定的载荷量级以下,对本来可能严重破坏的硐室进行全断面钢板衬砌加固是有效的.

FAILURE EFFECT OF UNDERGROUND ROCK OPENINGS UNDER STRESS WAVE INDUCED BY BLAST