（岩土工程专业论文）基于变位规律的锚碇隧道围岩损伤度安全阈值研究.pdf

摘要 相对于重力锚，隧道式锚碇能显著的降低工程造价，近年来在工程实践中获得足够重 视并被逐步推广。然而，与隧道式锚碇相关的专项研究开展得不多、可参考的经验较少， 制约了该种形式锚碇的使用，本文的初衷就是在此方面作一个有益的尝试。 本文结合矮寨悬索桥锚碇隧道的爆破施工，通过围岩的声波测试得到了围岩损伤度 和松动圈范围在爆破冲击荷载作用下的发育规律，探讨了围岩累积损伤程度和振动速度 之间的对应关系以及引起岩体损伤度累计效应的阈值，较为完整地描述了爆破冲击荷载 作用下围岩损伤度和松动圈的发展过程。在此基础上得出合理的爆破振动速度的控制指 标。试验和研究结果表明：锚碇隧道的爆破施工不但要控制单次爆破对围岩的扰动，更 重要的是，应考虑围岩在频繁的近距离爆破作用下产生的累计振动效应并加以控制。爆 破振动速度控制在3 c 州s 一6 c 献范围内，最大围岩松动圈厚度约为2 3 m ，围岩平均损伤 度o 2 2 。当测点处围岩的振动速度小于2 c n l s 时，围岩的损伤度积累不明显，可视为爆 破振动累积损伤闽值。 此外，建立了不同围岩损伤度的隧道式锚碇变位特性分析模型，通过数值模拟的方 法，得到了隧道式锚碇位移特性和损伤度的对应关系曲线、i ，研究表明：位移一损伤度 关系曲线l f ，呈倒“s ”型，存在d = n j 、d = d 4 两个拐点，当损伤度d 耋0 3 时，以左右 锚碇为中心，位移损伤度关系曲线l f ，上分别出现两个峰值点，两锚碇的位移场开始出 现不同程度的独立性、位移等值线逐步分离。当d 至伊6 时，位移损伤度关系曲线l f ， 斜率大幅增大，两锚碇位移场等值线完全分离，锚碇可能类似于土体刺入式破坏而发生 整体失稳或被拨出，d = p 6 可以视为锚碇失稳破坏的临界点。本文锚碇隧道损伤度安 全阈值取d 。；0 2 最后，为阐述隧道式锚碇和下部公路隧道相互影响程度，建立了损伤度d = o 2 的工 况分析模型群，研究表明：由于下部公路隧道的存在，施加1 p 、3 p 、5 p 、1 0 p 以后，左 右锚碇会产生0 7 5 8 m m 、o 8 4 m m 、0 8 8 9 m m 、1 0 3 7 m m 的竖向位移差，使得竖向位移 位置曲线绕原点附近的某一点发生顺时针方向的旋转并沿竖向发生平移，导致两锚塞体 偏离设计位移；公路隧道对锚碇垂直桥轴向、桥轴向位移场影响较小。 关键词： 隧道式锚碇；围岩声波测试；损伤度安全阈值；围岩变位；爆破振动累积损 伤；锚隧相互影响 a b s t r a c t r e c e n t l y 1 1 1 et u 肌e 1 一t y p ea n c h o r a g ew a su s e dw i d e l y b u tu n f o r t l j n 疵l y t h es p e c i a l s t l l d yo nt h ep p t w h i c hu s e di nt h et l l n n e l - t y p ea n c h o r a g eh a sn o tb e e l lp a i de n o u 曲a t t e l l t i o n ， a n di nc o n s e q u e n c e ，v a l u a b l ee x p 嘶e n c ew a sd e f i c i e n tw h e nt h i sk i n do f a n c h o r a g ew a sb u i l d 1 n t h i s p a 叩e r ，b a s e d o n b l a s t i n ge x c a v 撕o ni nt u 衄e l - t y p ea n c h o r a g eo fa i z h a i s u s p e n s i o nb d d g e ，t h ed e v e l o p m e n tl o wo fi l a m a g ed e 伊e ea l l d1 0 0 s ec i r c l eo fs u 舯u n d i n g r o c ku n d e rd i 行旨e n t b l a s t i n gl o a di s o b t a i n e db ys o n i cw a v e t e s t i n gm e t h o d t h e c o i t e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t 、v e e nm ed 锄a g ed e g r e eo fs u 玎o u n d i n gr o c ka n dt h ep e a kp a r t i c l e v e l o c 时o fv i b r a t i o n ( p p v ) i sd i s c u s s e d m o r e o v e r ，t h et l l r e s h o l dw h i c hl e a d st o a c c u m u l a t i v ed a m a g et or o c km a s si sd i s c u s s e d 1 1 1v i e wo fa b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c h e s a r e a s o n a b l ec o n t r o li n d e xo fb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yi sd 鼬e 1 1 n i n e d t h er e s u l ts h o w st h a t t h ea c c u m u l a t e dv i b r a t i o ne 虢c tc a u s e db yb l a s t i n gs h o u l db el i m i t e d t h ea c c u m u l a t e d v i b r a t i 伽d 锄a g eo fs l l 盯o u n d i n gr o c ki sn o t0 b v i o u sw h e nt h ep e a kp a i r t i c l ev e l o c i t y ( p p v ) o fs u r r o u n d i n gr o c ki sb e l o w2 c i n s f r o mt h ep o i n to fv i e wo f t e c h n o l o g ya n de c o n o m yf o r t h i sp 删e c t ，i ti sr e a s o n a b l em a tm ev a l u eo fp p vi sc o n t r o l l e dt 0b e3 c n l s 6 c m s t h ed a t a w h i c hf e e d b a c kb yc o n s 仰c t i o nm o n i t o t n ga n dm e a s u r e n l e n ts h o wt h a t ，t h ee c o n o m i c i n d e xa n dt h et e c h i l i c a li n d e xw e r eb o t h 百v e nc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n ，7 n l e r e f o r e ，m e r e s e a r c hr e s u l t st h e r ei su n i v e r s a l r e f 打e n c es i 印i 矗c a n c et ot h es i m i l a rp r o j e c t s i n a d d i t i o n ，t h ec u e | ；c ，b 朗e e nd i s p l a c 锄e n tc h a r a c t 舐s t i c sa 1 1 dr o c kd 锄a g e d e 伊e e ( d ) o ft i l l l l l e l t y p ea n c h o r a g ea r eo b t a i n e db yn u m 谢c a l 柚a l y s i si nas 谢e so ff i n i t e e l e m e n tm o d e l sw h i c hd i s t i n g u i s h e db yd i 行e r e n tr o c kd a m a g ed e 伊e e 7 i h er e s u l t ss h o wt h a t t h e r ea r e 研oi n f l e c t i o np o i n t si nc u e c ，w | h e nz ) = o 1 a n d 净o 4 ，m ec r i t i c a lp o i n tu s e dt o j u d g e si n s t a b i l i t yf o ra 1 1 c h o r a g ei sd = 0 6 t 1 1 ed i s p l a c 锄e n t so ft h es u r o u n d i n gm c ka r e m a i n l yw i t hd ya n dz ) _ zu n d e rc a b l ef o r c e s p e c i a l l y ，w h e n 三声o 2a n dz ) ：0 - 3t h em a x i m u m d i s p l a c 锄e n t sw e r e 1 14 m ma i l d1 17 m m r e s p e c t i v e l y ，m o r e o v i nc o n d i t i o no f d 0 2 ，0 3 】，t h ed i s p l a c 锄e n t so fm o s tr e 百o no ft h em o d e la r el e s st h a nz e m t h e r e f o r e ，t h e s a r yt l l r e s h o l do fd 锄a g ed e 黟e eo ft u n n e l t ) ，p ea n c h o r a g es u r o u n d i n gr o c k ( 如) 眈，= 0 2c a n b ea d o p t e d f i n a l l y ，c o n d i t i o na n a l y s i sm o d e la n dc o n t r a s tm o d e la r eb u i l dw h i c hu s e dt oe v a l u a t e t h ei n t e 巾l a yd e g r e eb e t w e e na n c h o r a g e & c u n n e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r p l a yd e 野e e b e 俩e e na n c h o r a g e & t 响a e lp o s s e s s e si n e q u a l i t yi ne x c a v a t i o ns t a g e ，v i d e l i c e t ，t h ei n n u e n c e d e g r e eo ft u n n e i t o 柚c h o m g e i sm o r es i g n i 6 c a n tt h a i lt h eb a c kf a c e d u et ot h et l l m l e l ，t h e m a x i m u mv e n i c a ld i s p l a c 锄e n t ( 购d i 矗打e 1 1 c eo ft h ea | l c h o r a g e su n d e rj p ( d e s i 印c a b l e f o r c e ) 、3 p 、卯、j 卯i s0 7 5 8 m n l 、0 8 4 m m 、0 8 8 9 l i l m 、1 0 3 7 m mr e s p e c t i v e ly i t sa c t i o ne 虢c t i sl e a dt om ea n c h o r a g er o t a t ea r o 啪dt h exa ) 【i sa f l d s u b s i d i n g ，h o w e v x d i r e c t i o n m o v e m e n ta n dy d i r e c t i o nm o v 锄e n to ft h ea n c h o r a g ew 凹e n o ta n e c t e d k e yw o r d s ：t i l 】曲4 咖p e 册c h o r a g e ；鲫p e r s o n i c6 d dt e s t ；t 1 1 r e s h o l do fd a m a g ed e 罂优；p e e k p a n i d ev e l o c i t y ；d i s p i a c e m 咖tr i l l e ；i n t e r p l a yb e t w e e na n c h o r a g e & t u n n e l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 释日期7 年枷7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密弓。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 名：屉彳 翩签名关从讳、 日期：勿罗年岁月叶日 日期：吁，月才日 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早珀。下匕 悬索桥是特大跨径桥梁的主要型式之一，其造型优美，规模宏伟，常被人们称为“桥 梁皇后”。悬索桥是一种柔性结构，作为悬索桥主要的承力结构物，锚碇通常有隧道锚、 重力锚等。在地形、地质条件允许时，隧道式锚碇因其经济性指标上的巨大优越性成为 悬索桥锚碇形式的首要选择。 和重力式锚碇不同，隧道式锚碇施工工艺复杂，技术难度较大。据统计，2 0 世纪 在世界范围内建成的3 9 座悬索桥，仅7 座采用了隧道式锚碇，占总数的1 8 川。因此说， 和悬索桥相关的专项研究已经远远落后与工程实际的需要，本文的初衷就是在这方面做 一个有益的尝试。 隧道式锚碇的作用机理和矿山巷道或公路隧道完全不同，隧道式锚碇的施工应特别 注意爆破开挖及其对锚碇周边土工构筑物的影响，因为这关系锚碇甚至整座悬索桥的安 全。锚碇及围岩的稳定性是悬索桥稳定的一个关键性的技术问题。隧道式锚碇的隧道爆 破开挖以后，隧道轮廓表层围岩的径向应力下降为零。围岩内部原生结构面扩张并产生 次生结构面，导致围岩强度明显下降，文献【2 】将围岩物理力学参数的降低程度用损伤度 d 来描述。但是，相对于水工隧道、交通隧道或者巷道，锚碇用隧道损伤度的发生、发 展有其特殊性。这主要体现在以下方面：由于塔基基坑、下部公路隧道等土工构筑物布 置较密集，爆破施工频繁。围岩介质在频繁爆破震动载荷作用下，其损伤存在累积效应 【3 】。对确定的介质，累积效应与爆破震动载荷等级有关。爆破震动载荷等级越高，累积 效应越明显，当载荷等级大于一定阈值时，介质的力学指标弱化趋势随作用次数的增加 逐渐加强；锚碇隧道爆破掘进的进尺小，单位进尺耗药量大( 8 0 1 2 0 k 咖) 。并且隧道 式锚碇有3 0 多度的倾角，大型施工机械无法进出，采用轨道绞车出渣，效率低，导致初 期支护延迟时间较长，这也有利于围岩损伤度的发展；悬索桥主悬索的巨大拉力通过索 股、锚杆传入隧道中填充的( 预应力) 混凝土，再通过( 锚塞体) 混凝土与隧道岩体的 摩阻力和粘结力传递给周围的岩体【4 j 作为悬索桥的关键承载结构之一，隧道式锚碇的稳 定性和受力状态直接影响到大桥的安全和长期使用的可靠性；此外，临近土工构筑物的存 在尤其是下部公路隧道有可能对锚碇的力学行为和锚碇围岩稳定性造成影响鉴于隧道 式锚碇的重要性，有必要全面的研究爆破施工的扰动对隧道式锚碇稳定性和抗拉拔能力 的影响 1 2 研究现状 目前，与隧道式锚碇围岩稳定性相关的研究主要集中在隧道式锚碇力学行为特征研 究对隧道开挖( 包括锚碇隧道开挖) 的研究集中在岩体在爆破冲击荷载作用下的动力响 应过程的研究、以及爆破破岩机理、爆破地震波衰减规律、爆破振动安全阈值和岩体损 伤本构模型等方面。 1 2 1 岩体爆破损伤理论模型 岩体爆破损伤直接或间接地影响工程安全性、支护与加固成本的高低。近二十年来， 岩体爆破损伤研究在理论模型、评价技术等方面取得了很大进展。 美国s a n d i a 国家实验室从8 0 年代初就开展了岩石爆破损伤模型的研究。p p 和 g r a d 5 】最早将动力损伤机制引入爆破破岩过程，他们提出了岩石爆破各向同性损伤模型 【6 1 ( g k 模型) ，g k 模型认为：岩石中含有大量的长度和方位随机分布原生裂纹。受外载 荷作用，部分裂纹将被激活并扩展。被激活的裂纹数服从指数分布： ，z ( ) = 托”( 1 1 ) 式中，玎( ) 为单位体积岩石中激活的裂纹数；k 、m 为材料常数；为体积应变。式( 1 1 ) 的导数乘系数( 卜一d ) 为裂纹激活率： = n ( s ) ( 1 一d ) = 局w s ”一1 s ( 1 一d )( 1 2 ) 式中，d 为已发生的开裂引起的岩石强度降低；为应燹率。 设裂纹扩展速度c z 为常数，则单条裂纹的影响体积v ( t ) 为： 比) = 三万( 叫3 t 时刻的损伤d ( t ) 为： d ( f ) = f ( f ) 矿( 卜f ) d f 将式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 代入式( 1 4 ) ，得： 叩) = 号万q 砌p 1 & ( 1 _ d ) ( h ) 3 出 同理，单条裂纹的影响面积a ( t ) 为： 口( f ) = 2 万( c g 矿 总的破坏面积a ( t ) 为： 爿( f ) = f ( f p ( f f ) d f = 2 万枷f & ( 1 一d ) ( f f ) 2 j f ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 设a ( t ) 和v ( t ) 的中值为以( f ) 和矿( f ) ，有： d ( f ) = f ( f ) y o 一了矽r = 多( f ) ( f ) ( 1 8 ) 么( f ) = f & ( f ) y ( f r 矽f = 三( f ) ( f ) ( 1 9 ) 设裂纹的平均半径为r ( t ) ，则近似有： 口( f ) = 2 万，( f ) 一 4 一 y o ) = 三万，( f ) ( 1 1 0 ) 可推得裂纹的平均间距l n 为： 厶素2 筹c 考虑损伤的岩石本构关系可表示为： 丐，= k ( 1 一d ) 4 j + 2 五( 1 一d ) ( ，一三4 ，) ( 1 1 2 ) 式中，k 为体积弹性模量；九为拉梅常数。 材料常数k 、m 、c g 由应变率相关是拉伸试验确定。由于该模型依赖于某些岩石参 数，其发展和应用受到一定限制。 t a y l o r 、c h e n 、k u s z m a u l 【7 1 建立的t c k 模型，建立损伤变量与裂纹密度之间的关系 式，该模型克服了g k 模型的不足，可以预报岩石在体积拉伸载荷下的动态响应。 k u s z m a u l 【8 1 在以上两模型的基础上提出了新的k u s 模型，该模型考虑了高密度微裂纹 的荫屏效应，在模拟岩石性质方面更加接近实际。杨军【9 1 等根据k u s 和n o m e 等的研 究，提出了分形损伤模型。 t j h o l m q u i s t 和g r j o h n s o n 【1 0 1 提出了著名的h j c 模型，该模型综合考虑了高 应 变率、大应变、高压效应，其等效屈服强度是压力、应变率和损伤度的函数，而压力是 体积应变( 包括永久垮塌) 的函数，损伤积累是塑性体积应变、等效塑性应变及压力的 函数： h j c 模型的强度以规范化等效应力描述： 盯= 么( 卜d ) + ( 1 + 皿”+ ) ( 1 1 3 ) 式中莎= 仃，为实际等效应力与静态屈服强度之比；，= 尸f 为无量纲压力， 盯+ = o 为无量纲应变率。 损伤因子d ( o 主d 耋1 ) 由等效塑性应变和塑性体积应变累加得到： d ：y 些尝( 1 1 4 ) 一；+ 。 式中p 为等效塑性应变增量，d ，为等效体积应变增量。 ( p ) = ：+ d ；= q ( ，+ r ) d 1 为常压p 下材料断裂时的塑性应变；d 1 、d 2 为损伤常数： p 和n 为规范化压力与材料所能承受的规范化最大净水压力。 h a oh 和w uc q 等】认为：岩体的各向异性累积损伤可以看作是材料的等效强度 和刚度的持续劣化，由此得出了岩体爆破作用下的各向异性损伤模型。吴刚等【1 2 1 研究了 岩体在卸荷破坏过程中的损伤本构模型，并与实验结果做了对比。杨延毅等【1 3 】对加锚节 理岩体建立了损伤增韧止裂模型，求得加锚节理岩体的等效柔度张量和损伤张量，并依 据加锚节理裂纹的断裂扩展过程建立了损伤演化模型。张建华、吴德仑【1 4 】以波动理论定 义了动力损伤变量，并建立了动力损伤本构方程。殷有泉【1 5 】利用塑性理论，将岩石的 塑性与损伤相耦合，建立了岩石损伤的塑性本构关系，并对岩体中规模较大的节理、断 层等不连续面建立了节理单元的损伤本构关系。 谢和平【1 7 】应用分形理论研究了岩石材料的力学习性问题。曹文贵掣18 1 建立了三维岩 石损伤演化方程和岩石损伤软化的统计本构方程。秦跃平【i9 】假设岩石的损伤与外界施加 的功量成正比，建立了岩石类材料在单轴压缩条件下的损伤演化方程和本构方程。 z h a n g 和l l i a p p a n 【2 0 】在k a w a m o t o 理论的基础上，提出岩体节理裂隙长度、方向和 密度遵循一定的概率分布规律，基于岩体表现随机表面分布裂纹的量测结果，从而对岩 体随机各向异性损伤力学问题进行了分析。c a im 和h o r i i h 【2 0 】通过体积平均应力、应变 的方法，建立了节理岩体的等效损伤模型。d h a l ma n dad l 认g o n 【2 1 】考虑摩擦滑移的 效应，定义了一个描述摩擦的内变量；在损伤能量释放空间定义一损伤势面，将损伤分 为几个部分，损伤面仅与其中一部分有关，从而得到损伤演化方程。为包括岩石、混凝 土、陶瓷材料在内的脆性材料建立了损伤模型。r l a w n 和d a v i db 【2 2 】等针对闭合裂 纹单轴荷载受压的情况进行了研究，计算了因裂纹滑移引起的能量耗散，从而得到本构 关系，该模型可描述岩石材料在加一卸载一加载过程应力一应变曲线中的滞回环现象。 e z w a n g 和n g s h r i v e 【2 3 】为岩石等脆性材料在受压情况下建立了三维椭球型微缺陷模 型，该模型表明，随裂纹尺寸的增大，裂纹起裂的主导判断准则由能量型判据向应力型 判掘转变。g s w o b o d a 和q y 锄9 2 4 】为岩土类材料提出一个基于能量的损伤模型，该模型 将翼形裂纹等效视为一币状裂纹，在等效裂纹体中定义损伤面，给出损伤演化方程，从 而考虑了原生裂纹的摩擦效应。损伤演化率在损伤相伴力空间给出。该文强调对于岩土 类地质材料，损伤变量应在细观的角度定义，而不是通常的在宏观唯象角度定义。 j f s h a o 和j w r u d n i c “2 5 】为脆性岩土材料建立基于微裂纹的连续损伤力学模型，该模 4 型可考虑由于损伤引起的不可逆变形，可考虑损伤引起的体变，损伤面在应力空间中定 义，远场应力被分为静水应力和偏应力，分别考虑它们对损伤的不同影响。本构关系则 是通过定义一具体的g i b b s 自由能函数而得到。f h o m a n d e t i e i l i l e 和d h o x h a f s h a o 【2 6 1 在三轴实验的基础上为脆性岩石材料建立了一个连续损伤本构模型，损伤的演化方程以 i 型断裂因子的形式给出，并考虑了静水围压的影响。损伤变量则与二阶微裂纹密度张 量直接相关。c l a u d i ac o m i 和u m b 哪op e r e g o 【2 7 】为混凝土材料建立考虑不同能量耗散机 制的能量型损伤模型。该模型将损伤变量定义为拉、压两个标量型损伤变量，以这两个 损伤变量为内变量定义了自由能函数的形式，分别给出拉、压两个标量型损伤变量的演 化方程。e e b e r h a r d t 和d s t e a d 【2 s 】等研究了岩石中微裂纹间相互作用对裂纹起裂 及扩展的影响。a b r e n c i c h 和l g 姗b a r o t t a 【2 9 】为脆性材料建立t 一各向同性损伤模型， 可适用于岩石类材料。该模型基于弹性微裂纹摩擦模型而建立，考虑材料受拉和受压情 况下的不同响应，对裂纹的张开和滑移分别定义了正交和切向两个二阶张量来描述 岩石爆破理论模型研究是爆破理论和技术发展的关键问题，而理论模型的核心是爆 炸荷载作用下岩石介质的本构关系。损伤理论的引进更是为岩石爆破研究提供了新的思 维方法并使得理论研究和过程实际的结合更加紧密。尽管岩体爆破损伤理论模型研究取 得了一系列成果，代表了爆破理论模型的最新研究水平和发展方向，但是，在以下问题 上还需要进一步完善： ( 1 ) 以损伤系数( 损伤因子) d 值来评价岩石爆破损伤和破坏的程度，缺乏统一标准和 实验依据。 ( 2 ) 对岩体爆破损伤累积效应的描述较少 ( 3 ) 现有理论模型还有待有效的、可操作的的试验手段来验证。 1 2 2 爆破破岩机理与爆破地震研究 在岩体爆破机理研究中，一般认为造成岩石破坏的原因是冲击波和爆轰产物膨胀 压力共同作用的结果。炸药在岩石中爆炸，产生高温高压的爆轰产物在炸药与炮孔壁间 的空气中形成冲击波并作用在孔壁附近的岩体上，对岩石施加极强的冲击压缩效应，造 成药包周围岩石被极度压碎形成粉碎区。一般认为：，炸药约3 5 的能量在粉碎区内损 失，而6 5 能量以应力波形式透射过去，随着能量的耗散，爆破冲击波的衰减压应力波。 应力波在岩体中继续传播，对孔壁径向方向产生压应力和压缩变形，当切向拉应力大于 岩石的抗拉强度时，该处岩石被破坏，构成与粉碎区贯通的径向裂隙。当粉碎区空腔形 成、径向裂隙展开、压力下降到一定程度时，药包周围的岩石中积蓄的弹性变形能释放， 形成卸载波，其作用效果是形成与压应力波作用相反的向心拉应力，使岩石质点产生逆 向的径向运动。如此向心拉应力大于岩石的抗拉强度时，该处岩石被拉断形成环向裂隙。 同时，由于径向应力与切向应力的共同作用，导致岩体中出现剪切裂隙。爆轰气体膨胀、 挤压、尖劈作用也助长了裂隙的延伸和扩张。当应力波与爆轰压力衰减到定程度时裂 隙扩展停止。随着径向裂隙、环向裂隙和剪切裂隙的形成、扩展、贯通，形成了纵横交 错、内密外疏、内宽外细的裂隙网，将岩体分割成大小不等的碎块。近粉碎区处岩块细 碎，远粉碎区处大块增多。最后，当应力波携带的能量急剧衰减，应力波转化为地震波。 地震波只能引起岩体质点的弹性振动而不会破坏岩体。岩石中的径向裂隙区是岩石爆破 破坏的主要形式【3 0 1 。 刘殿书f 3 1 1 、王文龙【3 2 】、宗琦3 4 】分别对爆破中岩石的破碎和裂纹的产生及传播进行 了研究。他们认为，岩石爆破中的压碎区是岩石受压缩所致，而裂隙区则是受拉破坏的 结果。 爆破地震波在岩土中传播时，将随着几何扩散而发生衰减。同时，由于岩体的塑性、 非线性和黏性等阻尼作用，造成能量的迅速耗散。地震波在岩体中的传播是一个非常复 杂的问题，目前还无法从理论上给出统一的关系表达式。高明仕、叶根喜等通过试验 的方法证明了爆破地震波在岩体中传播时，震动烈度和能量都随爆心距的增大呈乘幂关 系衰减。 n 8 矿= k 专 ( 1 1 5 )，y、， 厂 其中v 为质点振动速度峰值( c 州s ) ；q 为用药量( k g ) ；m 、k 、q 、p 为常数。 蔡德所、张继春掣3 5 】【3 6 1 分析了三峡工程爆破现场岩体质点振动速度的变化规律，依 据式( 1 1 5 ) 建立的不同药量情况下的各种爆破振动回归公式的结果和现场实测结果( 如 图1 1 ( a ) 、( b ) ) 6 4 z l 口 毫 0 蠢 r ( 荀药曼1 8 l c 寒( b ) 药鸯1 2 l 设 图1 1 不同回归公式得到的振动速度衰减曲线( 蔡德所，1 9 9 7 ) 图中曲线一分别为按照萨道夫斯基公式、兰格弗尔斯公式、欧美公式和日本公 式回归的结果，为回归结果，而为文献作者现场实测结果曲线。c h e ng 等也以国外 不同矿场爆破实验为基础分析了岩体爆破地震波衰减规律，结果如图1 2 所示。 图中显示了沿两条不同的直线，岩体横向、垂直向和径向三个方向的峰值质点振动 速度的统计衰减规律。 萨道夫斯基根据弹性动力学理论提出爆破振动中计算质点峰值振速v 的萨道夫斯 基公式仍然是被广泛接受和使用的半经验公式。但是，由于萨道夫斯基公式没有给出振 动速度和高差、自由面之间的关系，因此在某些特殊的情况下通过公式计算得到的爆破 近区和爆破远区的振动速度和实际仍有出入 蛐o姗3 嘲a 的绷 鼬曲抽峨酾喊c 槲t 珀j 图1 2 岩体质点峰值振动速度随距离的衰减( c h e n ，2 0 0 1 ) 1 2 3 爆破荷载作用下岩体的累计损伤效应研究 药包在岩体中爆炸时，大部分能量却以热能、振动波、空气冲击波等形式传递给周 围岩体，引起的围岩损伤，爆破振动效应，一直是爆破工程和岩石力学界关心的中心问 题之一。但是，对于爆破荷载作用下岩体的累计损伤效应却被忽略。在特定的工程条件 下( 如频繁的近距离爆破) ，岩体的损伤度增量可能成为“压死驼峰的最后一根稻草”。 林大能在文献【3 。7 】里研究了爆炸应力波能量及频繁震动作用下介质的损伤特性，通过 试验的方法给出了围岩的累计损伤度和爆破次数之间的对应关系，证明了岩体的累计损 伤过程中存在一个阈值，当爆破荷载等级超过这一阈值时，岩体内部的微裂隙将被“活 化”，宏观上可以描述微岩体累计损伤度的发展，当爆破荷载低于这一阈值时，岩体累 计损伤度将不做出任何反应。 闫长斌【5 】通过试验手段发现：随着爆破次数( n ) 的不断增加，岩体声波速度逐渐降低， 爆破损伤( d ) 呈现单调递增趋势，损伤不断加剧，说明岩体受爆破影响程度不断增大， 岩体的完整程度和承载性能不断劣化。爆心距对岩体爆破损伤程度有较大影响。距离爆 源越近，受爆破影响程度越大，损伤越严重，声速降低率和损伤增量越大；反之，受爆破 影响程度越小，损伤程度越轻，声速降低率和损伤增量越小。 f o o t u o n y e 提出考虑反复爆破荷载的作用来分析研究爆破荷载下洞室顶板锚杆的 动力响应1 3 8 j ，gl p r o s 在观测循环加载下的不连续体时，发现表面压力足够大时裂纹能横 穿裂隙面，产生裂隙分枝，且裂纹在压力下滑移产生微断层，原裂纹有应力集中时会发 生裂纹扩展【3 9 1 ，而爆破地震波本身就是一种随机的循环加载波。爆破地震波作用下的岩 石或岩体裂纹及微裂纹的发生与扩一展正是爆破地震累积效应的体现 y m t i e n 在不同荷载条件下矿岩的应变、孔隙压力和疲劳特性观测试验中，建立 了轴应变累积值和疲劳寿命的关系式，指出在某种试验条件下轴应变超过临界值时岩样 发生突然破坏，并在某一应力比率下临界应变值并不取决于围压和加载频率【4 0 1 。 c e s t l l a r 等在三轴荷载作用实验室试验中提出k a i s c r 应力记忆效应和声发射累积 4 ，r j p e s t m a n 等在声发射试验研究中提出和验证了应力记忆效应【4 2 1 ，有应力记忆，就存 一 嘲 哺 哳 鼍粤参一墨_冀e茎 哪 峨 蝴 晒 哪 芒暑i害i皇t芷善置t 在应力时间与空间上的迭加。 j a l t n i a p e r 和a p p i e r c e 提出了地下采矿岩层崩塌诱发地震动循环效应( r e c u n 蜘c e e 脯c t s ) 问题【4 3 1 ，m e n e v a 等也在对爆破和潜在岩爆对岩体的地震动响应的研究中提出了 累积合应变的概念f 4 4 】 1 2 4 损伤度的表示方法 损伤的概念最早由前苏联塑性力学家k 钥h o b 于1 8 9 5 年在研究蠕变断裂时提出的。 他采用表征材料损伤状态的力学变量“连续性因子( c o n t i n u i t ”和“有效应力( e 行e c t i v e s t r e s s ) ”来描述金属在蠕变断裂过程中其性质的劣化问题。随后p a b t h o b 又进一步引进“损 伤因子”的概念。r o b o t n o v 引入了“损伤变量( d 锄a g e a b l e ) 的概念l 锄a i t r 于1 9 8 5 年 采用等效应变概念提出一个应力应变关系，并且认为只需要将常规本构关系中的应力用 有效应力替换，这个本构关系就能描述其应变性能。 连续介质损伤力学从7 0 年代开始应用于岩石力学。d r a g o n 、附a j c i n o v i c 、c o s t i n s 等最早将损伤力学应用于岩石材料，用损伤概念提出了能反映应变软化的岩石与混凝土 的弹性本构关系，并且认为塑性膨胀率与损伤直接相关，并建立了相应连续介质损伤力 学模型。 岩石破坏损伤模型认为【3 0 】：岩石宏观缺陷( 节理、裂隙) 是影响岩石破坏程度的主要 因素之一，宏观缺陷与岩石细观损伤的存在对应关系。损伤演化是一个能量耗散过程， 声波波速与岩石的损伤程度存在较好的一致性，声波衰减系数与损伤能量耗散率具有一 一对应关系。冲击压缩与拉伸( 或卸载) 损伤相互影响，二者均与应变率效应有关。在岩 石损伤破坏模型中，损伤变量岩体结构特征与力学性能间相联系的纽带，是任何损伤力 学定量分析的前提。岩体的动力损伤问题包括两方面内容，其一是岩体损伤的动力响应： 其二则是动力载荷作用下损伤的演化与发展。 迄今为止损伤力学中关于损伤的表征及损伤变量的定义有很多不同的观点和学 说，由此产生了很多直接的或间接的、力学的或物理学的方法来测量它们【3 0 】一般情况下， 损伤变量可以从微观方面与宏观方面或矢量形式和标量形式归纳： 微观量度：孔洞的数目、长度、面积以及体积孑l 洞的几何形状、排列与定向；由孔 洞的几何形状、排列与定向确定的有效面积。 宏观量度：弹性常数、蠕变率、应力与应变大小：屈服应力、拉伸强度；耐力限度、 蠕变破坏时间；伸长度；质量密度；电阻、超声波速与声发射等。 常用的几种微观和宏观度量形式或标量形式的损伤定义如下： 用岩体的损伤面积表示：d = 4 爿( 1 1 6 ) 用岩体的声波波速表示：d = l 一( c ，c 。) 2( 1 1 7 ) 用岩体的弹性模量表示：d = l 一e ( 1 1 8 ) 其中a 为单元岩体的表观面积，a ；为有损面积；e 、e + 分别为无损材料和有损材料的 一8 一 弹性模量；c ，、c p 分别为有损材料和无损材料的波速。损伤的经典定义式( ( 1 1 6 ) ，根据 己有的研究，有损面积的确定大都是在假定裂隙面为一理想平面的基础上，通过岩体分 布裂隙的统计分析计算损伤面积，因而结果的误差将很难准确分析。现在己经可以将损 伤后的材料制成金相样品，然后采用图像自动识别与处理系统统计孔隙面积的方法得 到。对于塑性损伤，材料的实际损伤状态往往是微裂纹与微孔洞并存，采用这种方法便 不能准确反映损伤状态。声波试验法是一种综合反映岩体损伤特性的方法，岩体中的节 理对超声波的反应非常敏感，根据弹性波速传播理论，弹性模量e 、纵波波速v p 、横向 波速v s 、及介质密度p 之间有如下关系： e ：堕骅羔( 1 1 9 ) y ：一y ： 1 2 5 隧道式锚碇力学行为特征研究 文献【4 5 j 研究了锚碇系统的力学行为特征、变形机制及稳定状态。发现在主缆张拉 和运营阶段，围岩对锚碇的夹持作用是以锚碇前底板为支点来抵抗锚碇体后部向上转动 和向前滑移。岩锚初始预应力、自由段长度、外部荷载量值控制着锚索及锚碇在锚碇系 统中参与的荷载贡献值和作用时机。锚碇体倾角、长度、放大角、接触界面粗糙度及结 合程度影响锚碇位移和系统的稳定性。 文献1 1 】的研究结果表明：在正常缆力下，两个锚体围岩的位移场有部分的独立性， 缆力增大时两锚体围岩形成共同的位移场。锚碇可能的破坏形式是两锚体向外侧歪斜拔 出。锚碇周围岩体的位移均处于毫米的量级。 文献一o j 对矮寨悬索桥锚隧的相互影响程度进行了研究之后发现：锚碇、塔基和公路隧道处于 浅地表且布置较集中，相互影响显著；虽然开挖引起的围岩变形大部分小于lm m ，但是由于锚碇后 部与下部公路隧道闻岩柱较薄导致出现拉应力集中和较大面积的塑性区，在设计荷载作用下，该处 的塑性区进一步扩大。在3 p ( 3 倍设计大缆拉力荷载) 超载情况下，锚碇后部至公路隧道顶拱的塑性区 贯通，对锚碇的长期承载有较大威胁，且引起下方公路隧道顶拱岩体的稳定性严重恶化而难以白稳。 1 3 论文的主要工作 矮寨大桥为国家重点规划建设的长沙至重庆公路通道的组成部分吉首一茶洞高速 公路中的控制性工程。设计载荷双索高达5 4 1 0 5k n ，西北锚碇( 茶洞) 以隧道锚碇作为 悬索桥的主要承力构筑物，对大桥的运行安全起着控制性作用。由于山体地形的限制， 隧道式锚碇、塔基基坑、下部公路隧道、散索鞍支座、桥台等土工构筑物和置较密集， 这些部位的爆破施工频繁，石方开挖量极大，锚碇用隧道围岩受到频繁的近距离的爆破 荷载扰动，锚塞体加载大缆拉力以后，锚碇下部及两锚体之间的岩体处于复杂的拉剪应 力状态，必须保证锚塞体与岩体之间的抗剪摩擦力学性能和粘结特性满足传递荷载的需 要，因此，控制爆破开挖对锚碇围岩的扰动损伤始终是隧道式锚碇施工的重点和难点。 1 3 1 论文的主要思路 论文以悬索桥的设计方案和专题研究成果为参考，讨论隧道式锚碇的位移特征和不 同损伤度之间的对应关系，寻找适合悬索桥使用的损伤度指标d 。，。通过现场试验( 主要 指现场爆破重点监测试验和现场围岩声波测试) 建立损伤度阈值d 和振动速度之间的对 应关系，确定适合作为锚碇隧道爆破振动控制指标( p p v ) 的v 值，最后通过爆破地震波的 传播衰减规律确定适合的爆破参数。 1 3 2 论文完成的工作 ( 1 ) 不同损伤度对隧道式锚碇位移特性的影响。 ( 2 ) 考虑累计振动效应时不同的振动速度对围岩累计损伤度发展的影响。 ( 3 ) 通过爆破振动监测试验确定不同测点上峰值振动速度与爆破参数之间的相互关 系以及爆破地震波的衰减规律。 ( 4 ) 围岩声波测试结果与爆破次数的关系。 ( 5 ) 隧道式锚碇和下部公路隧道相互影响程度分析。 第二章锚碇隧道围岩损伤度与锚碇位移行为分析 2 1 概述 相对于重力式锚碇，隧道式锚碇能显著的降低工程造价【1 1 ，但是施工工艺复杂，技术 难度较大。据统计，2 0 世纪在世界范围内建成的3 9 座悬索桥，仅7 座采用了隧道式锚碇， 占总数的1 8 【l 】【4 7 j 2 1 。因此说，和悬索桥相关的专项研究已经远远落后与工程实际的需 要 悬索桥锚碇是悬索桥的关键承载结构之一，其总体稳定性和受力状态直接影响到大 桥的安全和长期使用的可靠性【4 8 5 2 】【l 】【4 1 。施加大缆拉力以后，主悬索的巨大拉力通过索 股、锚杆传入隧道中填充的预应力混凝土，再通过锚塞体混凝土与隧道岩体的摩阻力和 粘结力传递给周围的岩体【4 】。很明显，临近锚碇隧道开挖轮廓面一定深度范围围岩受爆 破开挖的扰动，物理力学性能发生劣化( 在本文中，围岩力学参数的劣化程度用损伤度 d 【2 3 】【5 3 5 4 】来表征) ，会显著地影响这种荷载传递的效率目前，关于锚碇隧道围岩损伤对锚 碇稳定性影响的研究较少，在极端的情况下，围岩损伤度达到某一特定值仇，锚碇将被整 体拔出，悬索桥发生失稳破坏，当损伤度d 勒站在大缆拉力的作用下，锚塞体沿桥轴线方 向发生滑移、在竖直方向上发生抬升，锚碇发生移动将严重影响桥梁体系，甚至导致桥 体破坏【4 】。因此，对不同损伤度条件下隧道式锚碇位移场的分布规律，量值大小进行分 析是非常有必要的，在本文中，使用岩土与隧道专业分析软件m i d a s g t s 建立了围岩损 伤度分别为d = d 、d = n j 、d = d 2 、d = d 9 的模型群，对各种损伤度条件下锚碇不同区 域内的位移进行分析，得到了锚碇位移损伤度关系曲线| | c ，根据曲线j ；f ，的特征及施工监 控量测数据的相互对比，得到隧道式锚碇围岩损伤度安全阈值。