岩石动力学讲稿岩体结构的动力效应

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
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-I1
预裂爆破
光面爆破
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.
永久船闸二期岩体开挖过程中也得到广 泛运用。
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。
0.0
471.67
4.78
476.47
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
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。
6.5.5 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20.0×24.2 m 围岩为波速4 500 m/s以上的花岗岩
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。
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：
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
（1）爆破损伤安全判据 事后工程检测判据
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?
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…….I3-I2; 光面爆破:I7-I6…….I3-I2-I1
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；
4.1
4.0
1.0
0.75
21.2
10.0
2.1
1.8
24.1
5.6
2.5
1.6
4.1
2.0
2.0
1.8
计算爆炸荷载/开挖荷载比率与实测爆破震动/开挖诱发震动比率的对比
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Calder[6])
质点峰值震动速度(cm/s)
岩体损伤效果
<25 25-63.5 63.5-254
>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
表2 岩石爆破损伤的质点峰值震动速度临界值 (Mojitabai和Beatti)
并且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。
6.5.3 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
岩石动力学讲稿岩体结构的 动力效应
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
1.0 2.0 4.0 8.0 16.0 32.0
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
0.0
0.39
0.13
0.54
0.0
1.70
0.28
2.00
0.0
7.11
0.58
7.71
0.0
29.03
1.18
3来自百度文库.23
0.0
117.31
2.38
119.72
光面爆破 孔
掏槽孔 崩落孔
光面爆破 孔
雷管段别
MS1 MS3 MS7 MS15 MS1 MS3 MS5
爆炸荷载 开挖荷载(IS)
(BL)/MPa
/MPa
21.2
20.0
14.2
11.0
14.2
11.0
计算荷载 比值
(BL/IS)
1.1
1.3
1.3
实测震动比值 (BL/IS)
0.94 1.1 0.94
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
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
爆源在潜在滑体外，爆破振动可能 引起滑体的动力失稳
6.5.4 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
准静态卸载条件
>170
40
44-77.5 775-1240 >1240
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
2 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
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
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 ε = σt /E PPV = c σtε
PPV =质点峰值震动速度； c = 岩体的纵波速度 σt = 抗拉强度； E =弹性模量
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。
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。
(a) 邻近的尾水洞
(a) 邻近的尾水洞
(b) 邻近的引水洞
图8 震动监测测点的布置
岩体初始应力的线性瞬态卸荷过程
爆破荷载
爆破震动和开挖瞬态卸荷 诱发振动的对比
(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；MS1～MS15—雷管段别
图10 尾水洞内的实测围岩震动时程曲线
阵和刚度矩阵的线性组合
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：
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
6.5.2 岩体开挖中的爆破损伤
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)
引水隧洞 6#
23
尾水隧洞 6#
65
3 部分台阶面松动、崩落，台阶 较轻的爆破损伤 635
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
可见裂缝的大范围延伸，台阶坡脚爆
破漏斗的产生等。
51 635 254 1270 381 1905
>381 >1905
*斑岩：为坚硬、脆性及严重裂隙岩体；
形函数[N]仅与空间坐标有关，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)
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
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
14-30
20
13-15.5 15.5-35.5 >35.5
硬片麻岩
49
50
23-35
35-60
>60
Shultze 花 岗岩
斑晶花岗岩
30-55 30-85
40
31-47
47-170
剪切波滞后理论 时间差(ms)
ts-tp 3.5～4.0 9.9～11.2
实测时间差(ms)
t1
t2
t2-t1
717
728
11
460
490
30
图9 上导洞开挖爆破设计
图11 引水洞内的实测围岩震动时程曲线
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
尾水 隧洞
引水 隧洞
掏槽孔 崩落孔 崩落孔
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。
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
不同卸载条件下岩体变形比较
初始应力 σh/MPa