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《高地应力条件下隧洞开挖动态卸荷的破坏机理初探》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第27卷第3期爆炸与冲击Vol.27,No.32007年5月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESMay,2007文章编号:1001-1455(2007)03-0283-06高地应力条件下隧洞开挖动态卸荷*的破坏机理初探严鹏,卢文波,许红涛(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)摘要:分析了高地应力条件下静水压力场中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及破坏机理,并计算了其破坏范围。初始应力动态卸荷时,动应力在隧洞径向表现为卸荷回弹,而在切向出现动应力集中,表现为加载。动态卸荷时间对径向应力的影响较对切向应力大,卸荷时间越短,扰动的幅度越大
2、;初始应力动态卸荷在岩体中所造成的破坏范围较准静态卸荷情况大,卸荷时间越短,破坏范围越大。关键词:爆炸力学;破坏机理;动态卸荷;圆形洞室;静水应力场;初始应力;卸荷时间中图分类号:O382.3国标学科代码:130#3520文献标志码:A1引言近年来在实施西部大开发和西电东送的战略的背景下,正在兴建或待建的包括小湾、溪洛渡、瀑布沟、拉西瓦、锦屏等一大批大型水电工程均涉及高地应力条件下大规模的坝基、高边坡和地下洞室群的岩石爆破开挖工作,面临严峻的大型岩体的卸载松弛及变形控制难题。一般认为,开挖引起的卸荷松弛(应力重分配)过程会持续一段较长的时间,主要取决于岩性和岩体的结构特性,属于准静态卸荷
3、的问题。但理论分析和现场爆破高速摄影资料均表明:在爆破破岩过程中,被爆岩体从母岩上脱离并发生抛掷运动的时间约为数毫秒至几百毫秒量级,因此岩体原始应力场的开挖卸载是一动态过程。卢文波[1]等分析了节理岩体中的初始应力动态卸荷效应,认为岩体初始应力场的瞬态卸载理论能较好解释不[2]同结构面条件下岩体开挖过程的动态松动机理;易长平等通过数值模拟计算比较了爆破荷载和岩体[3]初始应力动态卸荷对岩体的动态影响;任建喜等完成了岩石卸荷损伤断裂破坏全过程的实时CT试验,得到了卸荷条件下岩石损伤扩展的初步规律。在爆破开挖过程中,新生成自由面上初始应力场的卸除往往在很短的时间内完成,这必然会在围岩内部产生
4、强烈的应力调整,这一动态卸载波的作用下,靠近围岩壁面处区域内的岩体出现松动和强度下[4]降,开挖轮廓面处的初始地应力越高,由此造成的围岩影响范围越大。早在1966年,M.A.Cook[5][6]等就指出:作用荷载的突然释放可能导致岩石的超松弛,在介质中产生拉应力;J.N.EdlJr分析了理想化岩柱在柱端恒压突然卸除时的反应,并将它应用于解释被爆岩石对气体压力施加的荷载的反应[7]情况;张正宇等在东风水电站地下厂房的爆破试验结果表明岩体初始应力瞬态卸荷对围岩影响甚至大于爆破荷载作用对围岩的影响。可见,明确开挖引起的初始应力瞬态卸荷的作用,在岩石高边坡和地下工程围岩的稳定性安全评价过程中,具
5、有重要的意义。由于室内试验的卸载速率往往较低,不能正确模拟爆破破岩过程中新生成自由面上的瞬态卸荷情[8]况。因此,本文中以瞬态荷载作用下柱形空腔所激发的动态应力场为基础,分析静水压力场中隧洞钻爆开挖时初始应力场的动态卸荷效应,计算初始应力动态卸荷过程在岩体中所造成的损伤范围,并与准*收稿日期:2006-01-16;修回日期:2006-03-09基金项目:国家自然科学基金委员会-雅砻江水电开发联合基金项目(50639100、50539100);教育部新世纪优秀人才计划基金项目作者简介:严鹏(1981)),男,博士研究生。284爆炸与冲击第27卷静态卸荷情况进行对比。2静水压力场中初始应力动
6、态卸荷考虑在一初始地应力均匀分布(即水平地应力和垂直地应力相等)的无限山体中开挖一圆形隧洞,且因隧洞截面较小(直径D<10m),一次爆破开挖成型。对于大断面的洞室,为了简便起见,仅考虑直孔掏槽爆破的情况。因为洞室的埋深很大,可以认为此洞室处于静水压力场中,即初始地应力沿隧洞径向均匀分布,如图1所示。当开挖边界上的炮孔起爆时,隧洞壁面上的径向应力在很短的时间t0内变为0(如图2中曲线1所示),这个过程所激起的卸载波从隧洞壁面开始向四周岩体内传播。假设在初始地应力动态卸荷的过程[9]中,岩体始终处于线弹性范围内,应力过程1可以分解为压应力过程2和拉应力过程3的迭加。图1静水压力下圆形洞室初始
7、应力示意图图2动态卸荷应力状态等效图Fig.1ForcesoncirclartunnulunderhydrostaticpressureFig.2Substituteofinitialstressdynamicunloading这样,实际钻孔爆破过程中,初始应力动态卸荷的问题归结为如下的柱腔激发问题:处于初始无应力状态的无限弹性介质(各向同性)中的柱形空腔,t=0时,有一随时间变化的拉力p(t)作用在腔壁上。设柱腔半径为a,规定压为
