巖石動力學講稿--巖體結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)(1)

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1、,*,單擊此處編輯母版標題樣式,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力穩(wěn)定性分析方法,主要方法;,擬靜力法、振型疊加法、動力有限元法,振型迭加法適用于線彈性場域方面的動力問題；難應(yīng)用于體系自由度數(shù)目很多或被激起有貢獻的振型階數(shù)很多(如上述的沖擊振動)以及對非線性動力問題等,本節(jié)重點介紹動力有限元法,6.5 巖石高邊坡和地下洞室的動力效應(yīng),1,動力平衡方程為：,不計入c項時即為無阻尼的動力平衡方程。,用有限無法求解動力問題時，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，還需要進一步在,時間域內(nèi)進行離散以實現(xiàn)按時間步長

2、作數(shù)值積分,在動力問題中，就某一因時t1，單元結(jié)點的位移與單元內(nèi)各點的位移的關(guān)系可表示為,形函數(shù)N僅與空間坐標有關(guān)，而與時間無關(guān),對時間維作離散反映在以某一微小段時間(時步單元dt)內(nèi)給定的起始和終止時刻的位移量(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)點運動速度成正比）,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，此時只規(guī)定等價阻尼力而不規(guī)定位移,沿垂直和水平兩個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,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展，新裂隙的產(chǎn)生，巖體強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，保護保留巖體的力學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,爆破震動質(zhì)點峰值震動安全判據(jù),7,質(zhì)點峰值震動速度安全判據(jù),研究表明

4、：巖石爆破損傷與巖體中的質(zhì)點峰值震動速度密切相關(guān),理論基礎(chǔ)：一維應(yīng)力波理論,=,t,/E,PPV=c,t,PPV=質(zhì)點峰值震動速度；c=巖體的縱波速度,t,=抗拉強度；E=彈性模量,8,建議的質(zhì)點峰值震動速度安全判據(jù),巖石爆破損傷的質(zhì)點峰值震動速度臨界值,(Bauer 和Calder,6,),質(zhì)點峰值震動速度(cm/s),巖體損傷效果,254,完整巖石不會致裂,發(fā)生輕微的拉伸層裂,嚴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)點峰值震動速度臨界值,(Mojitabai和Beatti),巖石類型 單軸壓縮 RQD(%),強度(Mpa),質(zhì)點峰值震動速度(cm/s),

5、微損傷區(qū) 中等損傷區(qū) 嚴重損傷區(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)點峰值震動速度臨界值,（Savely）,巖體損傷表現(xiàn) 損傷程度 質(zhì)點峰值震動速度(cm/s),斑巖 頁巖 石英質(zhì)中長巖,1 臺階面松動巖塊的偶而掉落 沒有損傷 127 51 635,2 臺階面松動巖塊的部分掉落（若未 可能有損傷,爆破該松動巖塊可保持原有狀態(tài)

6、）但可接收 381 254 1270,3 部分臺階面松動、崩落，臺階 較輕的爆破損傷 635 381 1905,面上產(chǎn)生一些裂縫,4 臺階底部的后沖向破壞、頂部巖體,的破裂，臺階面嚴重破碎，臺階面上 爆破損傷 635 381 1905,可見裂縫的大范圍延伸，臺階坡腳爆,破漏斗的產(chǎn)生等。,*,斑巖：為堅硬、脆性及嚴重裂隙巖體；,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)在臨時船閘和升船機中隔墩爆破開挖過程首先得到成功運用；,永久船閘二期巖體開挖過程中也得到廣泛運用。,19,臨時船閘和升船機中隔墩爆破開挖,按原設(shè)計，當臨時船閘與升船機部位開挖至88m后，首先在臨時船閘與升船機中隔墩兩側(cè)進行預(yù)列爆破，而后中隔墩兩側(cè)的船閘與升船機深槽將自下游往

8、上游方向大致平行地分層向下開挖。,但當時因受升船機緩建方案的干擾，在升船機側(cè)入槽前，臨時船閘側(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,在升船機的深槽的下游入槽段開挖過程,開挖仍按原設(shè)計的程序進行，即先預(yù)裂在開挖。,此時發(fā)現(xiàn)在這種臨時船閘側(cè)已形成臨空面的條件下，中隔墩在升船機側(cè)的直立邊墻進行預(yù)裂爆破過程中，在臨時船閘側(cè)的中隔墩頂部發(fā)生局部坍塌現(xiàn)象，并且有將整個中隔墩往臨時船閘深槽方向側(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)場爆破開挖試驗研究，及時調(diào)整了爆破開挖程序及爆破方案：,首先在升船機深槽左側(cè)進行抽槽爆波以形成一臨空面；,而后逐步往中

9、隔墩方向擴挖，當擴挖至所乘巖體的厚度為8-10m時，也即達到中隔墩厚度的1/3左右時，再在中隔墩直立邊墻部位進行預(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，實質(zhì)上是將升船機側(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。,并且由于升船機側(cè)預(yù)裂爆破時，其升船機側(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側(cè)巖體集中，進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,支護的施加有一個過程；,施工期強降雨等的影響；,排水條件；,考慮爆

10、破震動荷載后的組合作用,26,爆源在潛在滑體上部：,支護未施加,爆源在潛在滑體下部：,計入錨固力,27,爆源在潛在滑體外，爆破振動可能,引起滑體的動力失穩(wěn),爆源在潛在滑體內(nèi)，爆破力為內(nèi)力，,不會出現(xiàn)爆破動力失穩(wěn)問題,28,6.5.4 瞬態(tài)卸荷引起的巖體松動,(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,在準靜態(tài)卸載條件下，對巖體結(jié)構(gòu)面,AC,而言，,不會因開挖卸載而發(fā)生結(jié)構(gòu)面的拉開現(xiàn)象，也即不會出現(xiàn)巖體的松動。,30,瞬態(tài)卸載過程,假設(shè)在初始時刻時，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,準靜態(tài)卸載,瞬態(tài)卸載,準靜態(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,動態(tài)卸載條件下，,巖塊除有彈性回復位移產(chǎn)生，還會發(fā)生水平向的剛體位移，導致巖體結(jié)構(gòu)面被拉開，巖體產(chǎn)生水平向

12、松動現(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態(tài)松動機理。,33,6.5.5 動態(tài)卸荷誘發(fā)圍巖振動工程實例,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 震動監(jiān)測測點的布置,(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,爆破震動和開挖瞬態(tài)卸荷,誘發(fā)振動的對比,爆破荷載,36,(a),6,#,測點實測震動曲線,(b),5,#,測點

13、實測震動曲線,BL爆破震動；IN瞬態(tài)卸荷誘發(fā)震動；MS1MS15雷管段別,圖10 尾水洞內(nèi)的實測圍巖震動時程曲線,37,將爆炸荷載和地應(yīng)力動態(tài)卸載所產(chǎn)生的P波、S波都看作振動信號的激勵源，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,實測振動波形中不同性質(zhì)波形到達的時間差,測點部位,測點號,爆心距(m),剪切波滯后理論,時間差(ms),實測時間差(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)的實測圍巖震動時程曲線,圖9 上導洞開挖爆破設(shè)計,39,實測爆破震動和開挖荷載瞬態(tài)卸荷誘發(fā)震動的對比,區(qū)域,炮孔類型,雷管段別,爆炸荷載(BL)/MPa,開挖荷載(IS)/MPa,計算荷載比值(BL/IS),實測震動比值(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,計算爆炸荷載/開挖荷載比率,與,實測爆破震動/開挖誘發(fā)震動比率,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)的震動是隧洞開挖誘發(fā)圍巖總震動的重要組成部分,瀑布溝水電站尾水隧洞和引水隧洞內(nèi)的圍巖震動實測資料驗證了開挖荷載瞬態(tài)卸荷誘發(fā)震動的存在,42,