动态卸荷作用下节理围岩损伤过程研究.pdf

书书书 第 31 卷 第 3 期 2014 年 9 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 3  Sep. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 03. 001 动态卸荷作用下节理围岩损伤过程研究 路世伟 1， 2， 孙金山1， 2， 周传波1， 卢文波2 （1. 中国地质大学 岩土钻掘与防护教育部工程研究中心， 武汉 430074； 2. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 武汉 430072） 摘 要 为了探明节理岩体中的巷道爆破开挖后的卸载机理， 为实际工程提供理论依据， 本文基于离散元 数值模拟方法， 分析了考虑爆破荷载深埋矩形巷道节理围岩的损伤过程。结果表明 高地应力条件下， 爆破 开挖会在节理围岩中诱发显著的松动效应， 导致洞壁附近形成远大于静态塑性区的动态松动损伤区， 使得最 终屈服区以外的节理面强度和渗透性等力学参数发生劣化； 受爆破荷载的影响， 岩体的回弹将产生较大的振 动速度， 达到 m/ s 量级， 是洞壁附近节理面损伤的主要来源； 节理的组合方式也会对节理松动产生较大的影 响， 当节理夹角接近 60时， 围岩最容易破坏。 关键词 爆破开挖；动态卸荷；深埋巷道；节理岩体；围岩损伤；离散元 中图分类号 O383 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 03 -0001 -05 Study on Damage Process of Jointed Surrounding Rock Mass under Dynamic Unloading LU Shi-wei1， 2， SUN Jin-shan1， 2， ZHOU Chuan-bo1， LU Wen-bo2 （1. Engineering Research Center of Rock-soil Drilling Excavation and Protection， Ministry of Education， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China； 2. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science， Wuhan University， Wuhan 430072， China） Abstract In order to explore the unloading mechanism of jointed surrounding rock masses after blasting excava- tion and to provide the theoretical basis for actual projects， the damage process of jointed surrounding rock mass caused by dynamic unloading in blasting excavation was analyzed based on the distinct element . It was pro- posed that the loosing effect was very remarkable， such that a loosing zone was ed in jointed surrounding rock mass， which was probably much larger than in the static plastic zone. As a result， the mechanical parameters of joints in the loosing zone， such as the strength and permeability decreased greatly；a large vibration velocity with a magni- tude of m/ s was produced by the rebounding of rock in blasting excavation which was an important damage resource of joints near the wall interference；the statement of joints sets had a great influence on the loosing of joints， and jointed surrounding rock mass was most likely damaged when the intersection angle was 60. Key words blast excavation；dynamic unloading；deeply buried tunnel；jointed rock mass；damage of sur- rounding rock mass；distinct element 收稿日期 2014 -04 -07 作者简介 路世伟 （1989 - ） ， 男， 硕士研究生， 主要从事地下工程方 面的研究，（E-mail） lushiwei364163. com。 通讯作者 孙金山 （1980 - ） ， 男， 山东潍坊人， 博士、 副教授， 主要从 事地下工程与岩石力学方面的教学与研究工作，（E-mail） sun99001126. com。 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （41102196） ； 水资源与水电 工程科学国家重点实验室开放研究基金资助项目； 岩土 钻掘与防护教育部工程研究中心开放研究基金资助项目 当前岩体卸荷研究多是在静力学范畴下进行 的。卢文波和金李等人的研究表明 ［1， 2］ 中高地应 力状态下岩体开挖卸荷存在显著的动力特征， 岩体 爆破开挖过程初始应力场的动态卸载可能是引起岩 体松动的重要因素之一。实际上， 在 1966 年 Cook 等就发现 ［3］， 岩体开挖过程的原岩应力突然释放可 导致岩石的超松弛， 并在岩体中产生拉应力； Abuov 等发现掌子面上岩体开挖导致的岩体应力瞬态卸 荷， 有可能导致开挖面内保留岩体的破坏 ［4］； Carter 等发现岩体的初始应力瞬态卸荷可以在围岩中诱发 振动， 岩体开挖卸荷速率越快， 诱发的动拉应力值越 大 ［5］； 罗先启等认为， 坚硬脆性围岩中开挖洞室时， 位于卸载波前缘的剪切微裂纹将因动力扩展而导致 岩体破坏 ［6］； 严鹏等分析了高地应力条件下圆形隧 洞钻爆开挖时开挖边界上初始应力场动态卸荷效 应 ［7］； 孙金山等分析了考虑地应力瞬态调整过程的 节理围岩松动过程 ［8］。 目前的研究成果大多考虑岩体为完整均质连续 介质， 且计算表明地应力动态卸载造成的围岩损伤 范围相对有限， 针对节理岩体的研究成果较少。以 节理岩体中矩形巷道为研究对象， 运用离散元动态 数值模拟方法， 对爆破开挖后卸载所引起的节理岩 体的松动规律进行分析， 探讨节理岩体松动的动力 学机理。 由于在爆破开挖过程中， 围岩经历了先加载后 卸载的过程， 故本文假定卸载过程从爆破荷载作用 结束时开始， 且较理想的假定， 洞壁上的地应力调整 过程所经历的时间 t 0。 1 离散元数值模型 离散单元法在模拟非连续介质问题时具有独特 的优势， 且多年来的工程实践表明离散元法可较为 真实的模拟节理岩体的动、 静态力学行为。选择 UDEC 离散单元法软件对节理围岩爆破开挖后的动 态卸荷松动过程进行分析。为简化计算， 主要对含 有两组规则贯通节理的矩形巷道进行分析 （如图 1 所示） 。 巷道宽 6 m， 高 4 m， 计算边界取 42 m 42 m。 为消除应力波在边界上的反射， 将外边界设为粘性 边界。数值模型中， 完整岩块为线弹性材料， 体积模 量 K 44 GPa， 剪切模量 G 30 GPa， 密度为 ρ 2700 kg/ m3。水平地应力值为 10 MPa， 侧压力系数 λ 1。为了对比不同的节理组合形式下围岩的松 动过程， 选取的两组节理走向均平行于巷道轴线方 向， 倾角分别取 0、 30、 60、 90， 共分析了 3 种产状 组合， 即一组节理倾角为 0， 另一组节理倾角分别 为 30、 60和 90， 节理间距均为 1 m。节理强度服 从 Mohr-Coulomb 屈 服 准 则， 其 法 向 刚 度 Kn 10 GPa， 剪切刚度 Ks1 GPa， 粘聚力 c 100 kPa， 摩 擦角 φ 30， 抗拉强度 τ 0， 膨胀角 β 30。动力 计算时采用瑞利阻尼， 考虑节理岩体能量耗散效应， 阻尼比取 0. 05， 频率取 100 Hz。计算过程中分别监 测节理的松动情况， 以及各监测点的位移、 速度和应 力 （如图 2） 。 （a）工况 1 （a） Case 1 （b）工况 2 （b） Case 2 （c）工况 3 （c） Case 3 图 1 节理倾角组合示意图 Fig. 1 Statement of 2 joint sets （A、 B、 C、 D 代表位移监测点， A1、 B1、 C1、 D1 代表速度和应力监测点） （A、 B、 C、 D for displacement， A1、 B1、 C1、 D1 for velocity and stress） 图 2 监测点布置图 Fig. 2 Monitoring points 根据有关研究成果， 将爆炸荷载简化为三角形 脉冲波 ［9］。爆炸荷载峰值 P 010 MPa， 升压时间取 为 tr1 ms， 正压时间取为 ts10 ms （如图3 所示） 。 图 3 爆破冲击荷载曲线 Fig. 3 Curve of impact load 2 静态计算条件下围岩损伤与位移 2. 1 节理面状态 采用静态方式计算时， 得到 3 种工况下洞壁附 近节理面的状态如图 4 所示， 计算结果表明， 3 种计 2爆 破 2014 年 9 月 算工况中， 工况 2 的节理屈服区最大， 工况 1 次之， 工况 3 仅出现少量屈服点； 靠近洞壁的节理主要发 生剪切屈服 （深色） 和张拉 （浅色） 屈服， 远区主要为 剪切屈服。由此可见， 节理的组合方式对节理屈服 区的范围有非常重要的影响。 （a） 工况 1 （a）Case 1 （b） 工况 2 （b）Case 2 （c） 工况 3 （c）Case 3 图 4 静态计算时节理围岩松动形态 Fig. 4 Loosing statement of jointed rock mass under static situation 2. 2 监测点位移 各监测点的位移 （如表 1 所示） 。计算结果显 示， 3 种工况中， A 点处位移以工况 1 最大， 工况 2 次之， 工况 3 最小； B、 C、 D 点处的位移以工况 2 最 大， 工况 1 次之， 工况 3 最小。结合节理面屈服状 态， 工况 3 中各监测点处于弹性状态， 因此其位移应 为弹性位移； 工况 1、 2 中， 各监测点均处于屈服区 内， 因而基本上各点位移显著大于其它工况。 表 1 静态计算时监测点位移 Table 1 Displacement of monitoring points under static situation 工况A 点/ mB 点/ mC 点/ mD 点/ m 10. 010020. 014060. 013820. 01075 20. 012700. 022870. 022760. 01256 30. 006600. 006590. 006610. 00661 3 爆破计算条件下围岩损伤与位移 3. 1 节理松动情况分析 当以动力模式进行计算时， 节理围岩的最大屈 服范围如图 5 所示。 （a） 工况 1 （a）Case 1 （b） 工况 2 （b）Case 2 （c） 工况 3 （c）Case 3 图 5 不同工况节理围岩最大松动范围 Fig. 5 Largest loosing regions of jointed rock mass of different cases under dynamic situation 3 种工况的对比表明， 动态计算时， 节理组合形 式不同， 围岩损伤程度也不相同， 如工况 2 最为显 著、 工况 3 次之， 工况 1 相对较小， 这与静态计算情 况略有不同。 与静态计算结果相比， 动态计算得到的最终节 理屈服区情况基本是一致的。而且从屈服状态来 看， 屈服主要沿节理方向发展。但是， 动态条件下， 许多静止或闭合的节理面实际上曾经历过剪切滑动 或者张开的松动过程， 并且发生松动的区域可能远 大于最终屈服区。而实际上节理一旦松动其强度和 节理面形态不可避免发生变化， 如节理面发生剪切 滑动或张开后其粘聚力将损失殆尽， 而摩擦系数实 际也将出现损失， 岩体的渗流特征也将显著改变。 因此， 节理岩体地下洞室中爆破开挖可能诱发大范 围岩体的松动劣化， 且松动劣化的范围可能远大于 准静态下围岩的屈服区。 3. 2 围岩质点位移 绘制 3 种工况下监测点 A、 B、 C、 D 的质点位移 时程曲线如图 6 所示。几乎各种工况中的监测点位 移均是动态波动变化的。 工况 1 和工况 3 中， 在卸荷开始后， A、 B、 C、 D 四点的位移， 从最大值开始减小， 并呈现衰减趋势， 直至稳定； 而在工况 2 中，A、 B、 C、 D 四个点的位移 均呈抛物线状持续增大， 我们知道主要是由于该点 处岩块发生挤出。 计算表明 （如表 2 所示） ， 动态下质点的位移最 3第 31 卷 第 3 期 路世伟， 孙金山， 周传波， 等 动态卸荷作用下节理围岩损伤过程研究 大值远大于最终稳定值， 如工况 1 最大位移值为稳 定值的 2 耀6 倍， 工况 3 最大位移值为稳定值的 5 耀 10 倍； 而且受到节理切割的影响， 位移呈反对称布 置， 且以工况 2 的位移最大， 达到了 dm 的量级， 远 大于其他工况， 故在机理组合接近 60的时候， 隧道 围岩更容易发生大变形。 图 6 位移监测点时程曲线 Fig. 6 Displacement history of monitoring points 表 2 动态计算时监测点位移 Table 2 Displacement of monitoring points under dynamic situation 工况A 点/ mB 点/ mC 点/ mD 点/ m 工况 1 最大值0. 07110. 06350. 06350. 0711 稳定值0. 03410. 01180. 01180. 0341 工况 2 最大值0. 1820. 2150. 2150. 182 稳定值0. 1820. 2150. 2150. 182 工况 3 最大值0. 05170. 05140. 05140. 0517 稳定值 0. 004940. 004900. 004900. 00494 3. 3 围岩质点振动速度 绘制 3 种工况下监测点 A、 B、 C、 D 的质点速度 时程曲线如图 7 所示， 3 种工况中， 速度由 0 急剧增 大到最大值， 随后， 质点经过 6 耀7 个振动周期后， 速 度逐渐衰减至 0。 计算表明 （如表 3 所示） ， 3 种工况中， 各点速度 最大值是反对称布置， 最大的振动速度出现在工况 2 中， 这也说明在机理组合接近 60的时候， 围岩最 容易损伤。而 3 种工况中， 最大的振动速度均在 m/ s的量级， 爆破荷载消失后岩体的回弹产生了较 大的振动速度。 表 3 动态计算时监测点最大振动速度 Table 3 Maximum velocity of monitoring points under dynamic situation 工况 A 点/ （ms -1） B 点/ （ms -1） C 点/ （ms -1） D 点/ （ms -1） 14. 1215. 1925. 1924. 121 25. 62710. 69310. 6935. 627 36. 8566. 8216. 8246. 857 图 7 速度监测点时程曲线 Fig. 7 Velocity history of monitoring pointts 3. 4 围岩块体应力状态 选取 3 种工况中靠近洞壁的岩块， 记录应力瞬 态调整过程中， 岩块中应力状态的变化过程如图 8 所示。 卸载过程开始后， 3 种工况中， 各点均从应力最 大值急剧减小， 呈现出波动衰减的趋势， 直至区域稳 4爆 破 2014 年 9 月 定。工况 1 中的 A1、 D1 点和工况 2、 3 中的各点的 最终稳定应力值为 0， 说明该处的点已经全部完全 松动， 脱离了母岩。工况 1 中 B1、 C1 点最终稳定应 力值不为 0， 而且低于初始地应力， 说明该处围岩发 生了松动， 围岩性质劣化。 图 8 应力监测点时程曲线 Fig. 8 Stress history of monitoring points 4 结论 运用离散元数值模拟方法， 对节理围岩爆破开 挖后的动态卸荷松动损伤特征进行了分析， 得到如 下结论 （1） 受爆破作用的影响， 洞壁附近的节理岩体 可能形成远大于静态塑性区的动态松动损伤区， 使 得最终屈服区以外的节理面强度和渗透性等力学参 数发生劣化。 （2） 通过对松动区大小、 位移、 振动速度、 应力 的分析， 可知三种工况中节理夹角接近 60时， 围岩 最容易破坏， 要特别注意。 （3） 受爆破作用的影响， 洞壁附近的岩体的回 弹会产生较大的速度， 振动速度达到 m/ s 的量级， 是洞壁附近节理面损伤的主要来源。 考虑爆破作用的影响时， 洞壁附近的岩块可能 脱离母岩向洞内运动， 造成超挖。 参考文献 （References） ［1］ 卢文波， 金 李， 陈 明， 等. 节理岩体爆破开挖过程 中动态卸荷松动机理研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2003， 22 （12） 4653-4657. ［1］ LU Wen-bo， JIN Li， CHEN Ming， et al. 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