岩石动力学讲稿-岩体结构的动力效应

1、6.5.1 地震荷载作用下岩石高边坡和地下洞室的动力稳定性分析方法 主要方法; 拟静力法、振型叠加法、动力有限元法 振型迭加法适用于线弹性场域方面的动力问题；难应用于体系自由度数目很多或被激起有贡献的振型阶数很多(如上述的冲击振动)以及对非线性动力问题等本节重点介绍动力有限元法6.5 岩石高边坡和地下洞室的动力效应1动力平衡方程为：不计入c项时即为无阻尼的动力平衡方程。用有限无法求解动力问题时，除了与静力问题一样先需在空间域内对连续体系作离散外，还需要进一步在时间域内进行离散以实现按时间步长作数值积分在动力问题中，就某一因时t1，单元结点的位移与单元内各点的位移的关系可表示为形函数N仅与空间坐

2、标有关，而与时间无关对时间维作离散反映在以某一微小段时间(时步单元dt)内给定的起始和终止时刻的位移量(或速度、加速度)2 岩石介质阻尼的选取假设阻尼矩阵与质量矩阵成正比（假定阻尼力与质点运动速度成正比）假设阻尼短脖与刚度矩阵成正比（假定阻尼力与应变速率成正比）瑞利阻尼：阻尼矩阵与质量矩阵及刚度矩阵有关，是质量矩阵和刚度矩阵的线性组合3瑞利阻尼 的系数可由体系的两个振型(相应的自振频率为wj及wj)的阻尼比LJ及AJ决定：4透射边界条件的处理可以沿在底部边界安置粘性元件作为人为的阻尼边界，此时只规定等价阻尼力而不规定位移沿垂直和水平两个方向的粘性阻尼分布力可写为56.5.2 岩体开挖中的爆破损

3、伤完成岩体破碎的同时,不可避免对保留岩体产生损伤在保留岩体表层出现爆破损伤影响区该区内表现为岩性参数的劣化：原有裂隙的张开与扩展，新裂隙的产生，岩体强度及声波速度的降低，渗透系数的增大等岩体爆破开挖过程中，保护保留岩体的力学特性不受或少受影响，是开挖质量控制的核心 6（1）爆破损伤安全判据事后工程检测判据 岩体力学参数的爆前爆后对比检测(声波,弹性模量,透水率) 直接判断: 钻孔电视爆破震动质点峰值震动安全判据 7 质点峰值震动速度安全判据 研究表明： 岩石爆破损伤与岩体中的质点峰值震动速度密切相关理论基础：一维应力波理论 = t /E PPV = c t PPV =质点峰值震动速度； c =

4、 岩体的纵波速度t = 抗拉强度； E =弹性模量 8建议的质点峰值震动速度安全判据 岩石爆破损伤的质点峰值震动速度临界值 (Bauer 和Calder6)质点峰值震动速度(cm/s) 岩体损伤效果254完整岩石不会致裂发生轻微的拉伸层裂严重的拉伸裂缝及一些径向裂缝产生岩体完全破碎9表2 岩石爆破损伤的质点峰值震动速度临界值 (Mojitabai和Beatti)岩石类型 单轴压缩 RQD(%)强度(Mpa)质点峰值震动速度(cm/s)微损伤区 中等损伤区 严重损伤区软片麻岩14-302013-15.515.5-35.535.5硬片麻岩495023-3535-6060Shultze 花岗岩30-

5、554031-4747-170170斑晶花岗岩30-854044-77.5775-1240124010表3 岩石爆破损伤的质点峰值震动速度临界值 （Savely）岩体损伤表现 损伤程度 质点峰值震动速度(cm/s) 斑岩 页岩 石英质中长岩1 台阶面松动岩块的偶而掉落 没有损伤 127 51 6352 台阶面松动岩块的部分掉落（若未 可能有损伤 爆破该松动岩块可保持原有状态） 但可接收 381 254 12703 部分台阶面松动、崩落，台阶 较轻的爆破损伤 635 381 1905 面上产生一些裂缝4 台阶底部的后冲向破坏、顶部岩体 的破裂，台阶面严重破碎，台阶面上 爆破损伤 635 381

6、1905 可见裂缝的大范围延伸，台阶坡脚爆 破漏斗的产生等。 *斑岩：为坚硬、脆性及严重裂隙岩体； 11爆破损伤控制工程措施基于爆破损伤控制的开挖程序的优化轮廓爆破方式的优选12开挖轮廓预裂爆破和光面爆破的优选预裂爆破:I1-I7-I6.I3-I2; 光面爆破:I7-I6.I3-I2-I113预裂爆破14光面爆破1516预裂爆破预裂本身对围岩产生的损伤较光爆大；可屏蔽主开挖区的爆破对围岩的损伤. 光面爆破本身引起的损伤小;不能屏蔽主开挖区的爆破对围岩的损伤. 问题: 有没有两者的完美结合?17有侧向临空面的预裂爆破技术起爆顺序:I7-I6-I5-I1-I4-I3-I2预裂爆破:I1-I7-I6

7、.I3-I2; 光面爆破:I7-I6.I3-I2-I118上述技术在临时船闸和升船机中隔墩爆破开挖过程首先得到成功运用；永久船闸二期岩体开挖过程中也得到广泛运用。19临时船闸和升船机中隔墩爆破开挖按原设计，当临时船闸与升船机部位开挖至88m后，首先在临时船闸与升船机中隔墩两侧进行预列爆破，而后中隔墩两侧的船闸与升船机深槽将自下游往上游方向大致平行地分层向下开挖。但当时因受升船机缓建方案的干扰，在升船机侧入槽前，临时船闸侧深槽已先行开挖，并形成了深度近20m的深槽，如下图所示。2021出现的问题在升船机的深槽的下游入槽段开挖过程,开挖仍按原设计的程序进行，即先预裂在开挖。此时发现在这种临时船闸侧

8、已形成临空面的条件下，中隔墩在升船机侧的直立边墙进行预裂爆破过程中，在临时船闸侧的中隔墩顶部发生局部坍塌现象，并且有将整个中隔墩往临时船闸深槽方向侧向推出的趋势。 22为了防止上述不利情况的发生，经现场爆破开挖试验研究，及时调整了爆破开挖程序及爆破方案：首先在升船机深槽左侧进行抽槽爆波以形成一临空面；而后逐步往中隔墩方向扩挖，当扩挖至所乘岩体的厚度为8-10m时，也即达到中隔墩厚度的1/3左右时，再在中隔墩直立边墙部位进行预裂爆破；最后，再用常规的梯段爆破技术将所剩岩体爆除。2324这种爆破开挖程序的改变，实质上是将升船机侧原在半无限介质条件下的预裂爆破方式变为有侧向临空面的预裂爆破方式。并且

9、由于升船机侧预裂爆破时，其升船机侧未爆岩体厚度仅为中隔墩厚度的1/3，从而保证了爆炸能量向升船机侧岩体集中，进而保证了中隔墩岩体的稳定性。256.5.3 岩石高边坡的爆破动力稳定性 施工期荷载组合可能成为多数潜在滑体最不利的荷载组合支护的施加有一个过程；施工期强降雨等的影响；排水条件；考虑爆破震动荷载后的组合作用26爆源在潜在滑体上部：支护未施加爆源在潜在滑体下部： 计入锚固力27爆源在潜在滑体外，爆破振动可能引起滑体的动力失稳爆源在潜在滑体内，爆破力为内力，不会出现爆破动力失稳问题286.5.4 瞬态卸荷引起的岩体松动(a) 存在两组正交节理(b) 存在顺坡节理面(c) 存在反坡节理面29准

10、静态卸载条件直立坡面BD处水平位移：结构面AC处 ：0在准静态卸载条件下，对岩体结构面AC而言，不会因开挖卸载而发生结构面的拉开现象，也即不会出现岩体的松动。 30瞬态卸载过程假设在初始时刻时，瞬间释放水平向初始地应力至0岩块的最终水平向刚体位移可直接由能量守恒方程确定 31 不同卸载条件下岩体变形比较初始应力h/MPa结构面AC的张开位移/mm直立坡面BD的水平位移/mm准静态卸载瞬态卸载准静态卸载瞬态卸载1.00.00.390.130.542.00.01.700.282.004.00.07.110.587.718.00.029.031.1830.2316.00.0117.312.38119

11、.7232.00.0471.674.78476.47动态卸载条件下，岩块除有弹性回复位移产生，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32 结论： 岩体初始应力场的瞬态卸载理论能较好解释不同 结构面条件下岩体开挖过程的动态松动机理。336.5.5 动态卸荷诱发围岩振动工程实例瀑布沟水电站地下厂房洞室群设置了平行布置的6条引水隧洞和2条尾水隧洞引水洞为圆型断面，洞径10.7 m尾水洞则为城门洞型，断面尺寸为20.024.2 m围岩为波速4 500 m/s以上的花岗岩34(a) 邻近的尾水洞图8 震动监测测点的布置(b) 邻近的引水洞(a) 邻近的尾水洞35岩体初始应

12、力的线性瞬态卸荷过程爆破震动和开挖瞬态卸荷 诱发振动的对比爆破荷载36(a) 6# 测点实测震动曲线(b) 5# 测点实测震动曲线BL爆破震动；IN瞬态卸荷诱发震动；MS1MS15雷管段别图10 尾水洞内的实测围岩震动时程曲线37将爆炸荷载和地应力动态卸载所产生的P波、S波都看作振动信号的激励源，在它们发生的瞬间都将引起信号的突变，使信号产生奇异；可利用小波变换刻画信号局部特征的能力来区分不同荷载作用诱发的振动实测振动波形中不同性质波形到达的时间差测点部位测点号爆心距(m)剪切波滞后理论时间差(ms)实测时间差(ms)ts-tpt1t2t2-t1引水隧洞6#233.54.071772811尾水隧洞6#659.911.24604903038图11 引水洞内的实测围岩震动时程曲线图9 上导洞开挖爆破设计39实测爆破震动和开挖荷载瞬态卸荷诱发震动的对比区域炮孔类型雷管段别爆炸荷载(BL)/MPa开挖荷载(IS) /MPa计算荷载比值(BL/IS)实测震动比值(BL/IS)尾水隧洞掏槽孔MS121.220.01.10.94崩落孔MS314.211.01.31.1崩落孔MS714.211.01.30.94光面爆破孔MS