巖石動(dòng)力學(xué)講稿--巖體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)(1)

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1、,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,6.5.1 地震荷載作用下巖石高邊坡和地下洞室的動(dòng)力穩(wěn)定性分析方法,主要方法;,擬靜力法、振型疊加法、動(dòng)力有限元法,振型迭加法適用于線彈性場域方面的動(dòng)力問題；難應(yīng)用于體系自由度數(shù)目很多或被激起有貢獻(xiàn)的振型階數(shù)很多(如上述的沖擊振動(dòng))以及對非線性動(dòng)力問題等,本節(jié)重點(diǎn)介紹動(dòng)力有限元法,6.5 巖石高邊坡和地下洞室的動(dòng)力效應(yīng),1,動(dòng)力平衡方程為：,不計(jì)入c項(xiàng)時(shí)即為無阻尼的動(dòng)力平衡方程。,用有限無法求解動(dòng)力問題時(shí)，除了與靜力問題一樣先需在空間域內(nèi)對連續(xù)體系作離散外，還需要進(jìn)一步在,時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行離散以實(shí)現(xiàn)按時(shí)間步長

2、作數(shù)值積分,在動(dòng)力問題中，就某一因時(shí)t1，單元結(jié)點(diǎn)的位移與單元內(nèi)各點(diǎn)的位移的關(guān)系可表示為,形函數(shù)N僅與空間坐標(biāo)有關(guān)，而與時(shí)間無關(guān),對時(shí)間維作離散反映在以某一微小段時(shí)間(時(shí)步單元dt)內(nèi)給定的起始和終止時(shí)刻的位移量(或速度、加速度),2,巖石介質(zhì)阻尼的選取,假設(shè)阻尼矩陣與質(zhì)量矩陣成正比（假定阻尼力與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度成正比）,假設(shè)阻尼短脖與剛度矩陣成正比（假定阻尼力與應(yīng)變速率成正比）,瑞利阻尼：阻尼矩陣與質(zhì)量矩陣及剛度矩陣有關(guān)，是質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的線性組合,3,瑞利阻尼 的系數(shù)可由體系的兩個(gè)振型(相應(yīng)的自振頻率為wj及wj)的阻尼比LJ及AJ決定：,4,透射邊界條件的處理,可以沿在底部邊界安置粘性元

3、件作為人為的阻尼邊界，此時(shí)只規(guī)定等價(jià)阻尼力而不規(guī)定位移,沿垂直和水平兩個(gè)方向的粘性阻尼分布力可寫為,5,6.5.2 巖體開挖中的爆破損傷,完成巖體破碎的同時(shí),不可避免對保留巖體產(chǎn)生損傷,在保留巖體表層出現(xiàn)爆破損傷影響區(qū),該區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為巖性參數(shù)的劣化：原有裂隙的張開與擴(kuò)展，新裂隙的產(chǎn)生，巖體強(qiáng)度及聲波速度的降低，滲透系數(shù)的增大等,巖體爆破開挖過程中，保護(hù)保留巖體的力學(xué)特性不受或少受影響，是開挖質(zhì)量控制的核心,6,（1）爆破損傷安全判據(jù),事后工程檢測判據(jù),巖體力學(xué)參數(shù)的爆前爆后對比檢測(聲波,彈性模量,透水率),直接判斷:鉆孔電視,爆破震動(dòng)質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)安全判據(jù),7,質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度安全判據(jù),研究表明

4、：巖石爆破損傷與巖體中的質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度密切相關(guān),理論基礎(chǔ)：一維應(yīng)力波理論,=,t,/E,PPV=c,t,PPV=質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度；c=巖體的縱波速度,t,=抗拉強(qiáng)度；E=彈性模量,8,建議的質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度安全判據(jù),巖石爆破損傷的質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度臨界值,(Bauer 和Calder,6,),質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度(cm/s),巖體損傷效果,254,完整巖石不會(huì)致裂,發(fā)生輕微的拉伸層裂,嚴(yán)重的拉伸裂縫及一些徑向,裂縫產(chǎn)生,巖體完全破碎,9,表2 巖石爆破損傷的質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度臨界值,(Mojitabai和Beatti),巖石類型 單軸壓縮 RQD(%),強(qiáng)度(Mpa),質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度(cm/s),

5、微損傷區(qū) 中等損傷區(qū) 嚴(yán)重?fù)p傷區(qū),軟片麻巖,14,-30,20,13-15.5,15.5-35.5,35.5,硬,片麻巖,49,50,23-35,35-60,60,Shultze 花崗巖,30-55,40,31-47,47-170,170,斑晶花崗巖,30-85,40,44-77.5,775-1240,1240,10,表3 巖石爆破損傷的質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度臨界值,（Savely）,巖體損傷表現(xiàn) 損傷程度 質(zhì)點(diǎn)峰值震動(dòng)速度(cm/s),斑巖 頁巖 石英質(zhì)中長巖,1 臺(tái)階面松動(dòng)巖塊的偶而掉落 沒有損傷 127 51 635,2 臺(tái)階面松動(dòng)巖塊的部分掉落（若未 可能有損傷,爆破該松動(dòng)巖塊可保持原有狀態(tài)

6、）但可接收 381 254 1270,3 部分臺(tái)階面松動(dòng)、崩落，臺(tái)階 較輕的爆破損傷 635 381 1905,面上產(chǎn)生一些裂縫,4 臺(tái)階底部的后沖向破壞、頂部巖體,的破裂，臺(tái)階面嚴(yán)重破碎，臺(tái)階面上 爆破損傷 635 381 1905,可見裂縫的大范圍延伸，臺(tái)階坡腳爆,破漏斗的產(chǎn)生等。,*,斑巖：為堅(jiān)硬、脆性及嚴(yán)重裂隙巖體；,11,爆破損傷控制工程措施,基于爆破損傷控制的開挖程序的優(yōu)化,輪廓爆破方式的優(yōu)選,12,開挖輪廓預(yù)裂爆破和光面爆破的優(yōu)選,預(yù)裂爆破:I1-I7-I6.I3-I2;光面爆破:I7-I6.I3-I2-I1,13,預(yù)裂爆破,14,光面爆破,15,16,預(yù)裂爆破預(yù)裂本身對圍巖產(chǎn)生

7、的損傷較光爆大；可屏蔽主開挖區(qū)的爆破對圍巖的損傷.,光面爆破本身引起的損傷小;不能屏蔽主開挖區(qū)的爆破對圍巖的損傷.,問題:有沒有兩者的完美結(jié)合?,17,有側(cè)向臨空面的預(yù)裂爆破技術(shù),起爆順序:I7-I6-I5-I1-I4-I3-I2,預(yù)裂爆破:I1-I7-I6.I3-I2;光面爆破:I7-I6.I3-I2-I1,18,上述技術(shù)在臨時(shí)船閘和升船機(jī)中隔墩爆破開挖過程首先得到成功運(yùn)用；,永久船閘二期巖體開挖過程中也得到廣泛運(yùn)用。,19,臨時(shí)船閘和升船機(jī)中隔墩爆破開挖,按原設(shè)計(jì)，當(dāng)臨時(shí)船閘與升船機(jī)部位開挖至88m后，首先在臨時(shí)船閘與升船機(jī)中隔墩兩側(cè)進(jìn)行預(yù)列爆破，而后中隔墩兩側(cè)的船閘與升船機(jī)深槽將自下游往

8、上游方向大致平行地分層向下開挖。,但當(dāng)時(shí)因受升船機(jī)緩建方案的干擾，在升船機(jī)側(cè)入槽前，臨時(shí)船閘側(cè)深槽已先行開挖，并形成了深度近20m的深槽，如下圖所示。,20,21,出現(xiàn)的問題,在升船機(jī)的深槽的下游入槽段開挖過程,開挖仍按原設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行，即先預(yù)裂在開挖。,此時(shí)發(fā)現(xiàn)在這種臨時(shí)船閘側(cè)已形成臨空面的條件下，中隔墩在升船機(jī)側(cè)的直立邊墻進(jìn)行預(yù)裂爆破過程中，在臨時(shí)船閘側(cè)的中隔墩頂部發(fā)生局部坍塌現(xiàn)象，并且有將整個(gè)中隔墩往臨時(shí)船閘深槽方向側(cè)向推出的趨勢。,22,為了防止上述不利情況的發(fā)生，經(jīng)現(xiàn)場爆破開挖試驗(yàn)研究，及時(shí)調(diào)整了爆破開挖程序及爆破方案：,首先在升船機(jī)深槽左側(cè)進(jìn)行抽槽爆波以形成一臨空面；,而后逐步往中

9、隔墩方向擴(kuò)挖，當(dāng)擴(kuò)挖至所乘巖體的厚度為8-10m時(shí)，也即達(dá)到中隔墩厚度的1/3左右時(shí)，再在中隔墩直立邊墻部位進(jìn)行預(yù)裂爆破；,最后，再用常規(guī)的梯段爆破技術(shù)將所剩巖體爆除。,23,24,這種爆破開挖程序的改變，實(shí)質(zhì)上是將升船機(jī)側(cè)原在半無限介質(zhì)條件下的預(yù)裂爆破方式變?yōu)橛袀?cè)向臨空面的預(yù)裂爆破方式。,并且由于升船機(jī)側(cè)預(yù)裂爆破時(shí)，其升船機(jī)側(cè)未爆巖體厚度僅為中隔墩厚度的1/3，從而保證了爆炸能量向升船機(jī)側(cè)巖體集中，進(jìn)而保證了中隔墩巖體的穩(wěn)定性。,25,6.5.3 巖石高邊坡的爆破動(dòng)力穩(wěn)定性,施工期荷載組合可能成為多數(shù)潛在滑體最不利的荷載組合,支護(hù)的施加有一個(gè)過程；,施工期強(qiáng)降雨等的影響；,排水條件；,考慮爆

10、破震動(dòng)荷載后的組合作用,26,爆源在潛在滑體上部：,支護(hù)未施加,爆源在潛在滑體下部：,計(jì)入錨固力,27,爆源在潛在滑體外，爆破振動(dòng)可能,引起滑體的動(dòng)力失穩(wěn),爆源在潛在滑體內(nèi)，爆破力為內(nèi)力，,不會(huì)出現(xiàn)爆破動(dòng)力失穩(wěn)問題,28,6.5.4 瞬態(tài)卸荷引起的巖體松動(dòng),(a)存在兩組正交節(jié)理,(b)存在順坡節(jié)理面,(c)存在反坡節(jié)理面,29,準(zhǔn)靜態(tài)卸載條件,直立坡面BD處水平位移：,結(jié)構(gòu)面AC處：0,在準(zhǔn)靜態(tài)卸載條件下，對巖體結(jié)構(gòu)面,AC,而言，,不會(huì)因開挖卸載而發(fā)生結(jié)構(gòu)面的拉開現(xiàn)象，也即不會(huì)出現(xiàn)巖體的松動(dòng)。,30,瞬態(tài)卸載過程,假設(shè)在初始時(shí)刻時(shí)，瞬間釋放水平向初始地應(yīng)力至0,巖塊的最終水平向剛體位移可直

11、接由能量守恒方程確定,31,不同卸載條件下巖體變形比較,初始應(yīng)力,h,/MPa,結(jié)構(gòu)面,AC,的,張開位移/mm,直立坡面,BD,的,水平位移/mm,準(zhǔn)靜態(tài)卸載,瞬態(tài)卸載,準(zhǔn)靜態(tài)卸載,瞬態(tài)卸載,1.0,0.0,0.39,0.13,0.54,2.0,0.0,1.70,0.28,2.00,4.0,0.0,7.11,0.58,7.71,8.0,0.0,29.03,1.18,30.23,16.0,0.0,117.31,2.38,119.72,32.0,0.0,471.67,4.78,476.47,動(dòng)態(tài)卸載條件下，,巖塊除有彈性回復(fù)位移產(chǎn)生，還會(huì)發(fā)生水平向的剛體位移，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)面被拉開，巖體產(chǎn)生水平向

12、松動(dòng)現(xiàn)象,32,結(jié)論：,巖體初始應(yīng)力場的瞬態(tài)卸載理論能較好解釋不同 結(jié)構(gòu)面條件下巖體開挖過程的動(dòng)態(tài)松動(dòng)機(jī)理。,33,6.5.5 動(dòng)態(tài)卸荷誘發(fā)圍巖振動(dòng)工程實(shí)例,瀑布溝水電站地下廠房洞室群,設(shè)置了平行布置的6條引水隧洞和2條尾水隧洞,引水洞為圓型斷面，洞徑10.7 m,尾水洞則為城門洞型，斷面尺寸為20.024.2 m,圍巖為波速4 500 m/s以上的花崗巖,34,(a)鄰近的尾水洞,圖8 震動(dòng)監(jiān)測測點(diǎn)的布置,(b)鄰近的引水洞,(a)鄰近的尾水洞,35,巖體初始應(yīng)力的線性瞬態(tài)卸荷過程,爆破震動(dòng)和開挖瞬態(tài)卸荷,誘發(fā)振動(dòng)的對比,爆破荷載,36,(a),6,#,測點(diǎn)實(shí)測震動(dòng)曲線,(b),5,#,測點(diǎn)

13、實(shí)測震動(dòng)曲線,BL爆破震動(dòng)；IN瞬態(tài)卸荷誘發(fā)震動(dòng)；MS1MS15雷管段別,圖10 尾水洞內(nèi)的實(shí)測圍巖震動(dòng)時(shí)程曲線,37,將爆炸荷載和地應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸載所產(chǎn)生的P波、S波都看作振動(dòng)信號的激勵(lì)源，在它們發(fā)生的瞬間都將引起信號的突變，使信號產(chǎn)生奇異；,可利用小波變換刻畫信號局部特征的能力來區(qū)分不同荷載作用誘發(fā)的振動(dòng),實(shí)測振動(dòng)波形中不同性質(zhì)波形到達(dá)的時(shí)間差,測點(diǎn)部位,測點(diǎn)號,爆心距(m),剪切波滯后理論,時(shí)間差(ms),實(shí)測時(shí)間差(ms),t,s,-t,p,t,1,t,2,t,2,-t,1,引水隧洞,6#,23,3.5,4.0,717,728,11,尾水隧洞,6#,65,9.9,11.2,460,490,

14、30,38,圖11 引水洞內(nèi)的實(shí)測圍巖震動(dòng)時(shí)程曲線,圖9 上導(dǎo)洞開挖爆破設(shè)計(jì),39,實(shí)測爆破震動(dòng)和開挖荷載瞬態(tài)卸荷誘發(fā)震動(dòng)的對比,區(qū)域,炮孔類型,雷管段別,爆炸荷載(BL)/MPa,開挖荷載(IS)/MPa,計(jì)算荷載比值(BL/IS),實(shí)測震動(dòng)比值(BL/IS),尾水,隧洞,掏槽孔,MS1,21.2,20.0,1.1,0.94,崩落孔,MS3,14.2,11.0,1.3,1.1,崩落孔,MS7,14.2,11.0,1.3,0.94,光面爆破孔,MS15,4.1,4.0,1.0,0.75,引水,隧洞,掏槽孔,MS1,21.2,10.0,2.1,1.8,崩落孔,MS3,24.1,5.6,2.5,1.6,光面爆破孔,MS5,4.1,2.0,2.0,1.8,40,計(jì)算爆炸荷載/開挖荷載比率,與,實(shí)測爆破震動(dòng)/開挖誘發(fā)震動(dòng)比率,的對比,41,在高地應(yīng)力條件下，開挖荷載瞬態(tài)卸荷誘發(fā)的震動(dòng)是隧洞開挖誘發(fā)圍巖總震動(dòng)的重要組成部分,瀑布溝水電站尾水隧洞和引水隧洞內(nèi)的圍巖震動(dòng)實(shí)測資料驗(yàn)證了開挖荷載瞬態(tài)卸荷誘發(fā)震動(dòng)的存在,42,