岩石动力学讲稿岩体结构的动力效应

6.5.1地震荷载作用下岩石高边坡和地下洞室的动力稳定性分析方法

主要方法;拟静力法、振型叠加法、动力有限元法振型迭加法适用于线弹性场域方面的动力问题；难应用于体系自由度数目很多或被激起有贡献的振型阶数很多(如上述的冲击振动)以及对非线性动力问题等本节重点介绍动力有限元法6.5岩石高边坡和地下洞室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/EPPV=cσtεPPV=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

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<2525-63.563.5-254>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)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14-302013-15.515.5-35.5>35.5硬片麻岩495023-3535-60>60Shultze花岗岩30-554031-4747-170>170斑晶花岗岩30-854044-77.5775-1240>1240表3岩石石爆破损伤伤的质点峰峰值震动速速度临界值值（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127516352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38125412703部分台阶面松动、崩落，台阶较轻的爆破损伤6353811905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>381>1905可见裂缝的大范围延伸，台阶坡脚爆破漏斗的产生等。*斑岩：为坚坚硬、脆性性及严重裂裂隙岩体；；爆破损伤控控制工程措措施基于爆破损损伤控制的的开挖程序序的优化轮廓爆破方方式的优选选开挖轮廓预预裂爆破和和光面爆破破的优选预裂爆破:I1-I7-I6…….I3-I2;光面面爆破:I7-I6…….I3-I2-I1预裂爆破光面爆破预裂爆破预预裂本身身对围岩产产生的损伤伤较光爆大大；可屏蔽蔽主开挖区区的爆破对对围岩的损损伤.光面爆破本本身引起起的损伤小小;

不能能屏蔽主开开挖区的爆爆破对围岩岩的损伤.问题:有有没没有两者的的完美结合合?有侧向临空空面的预裂裂爆破技术术起爆顺序:I7-I6-I5---I1---I4-I3-I2预裂爆破:I1-I7-I6…….I3-I2;光面面爆破:I7-I6…….I3-I2-I1上述技术在在临时船闸闸和升船机机中隔墩爆爆破开挖过过程首先得得到成功运运用；永久船闸二二期岩体开开挖过程中中也得到广广泛运用。。临时船闸和和升船机中中隔墩爆破破开挖按原设计，，当临时船船闸与升船船机部位开开挖至88m后，首首先在临时时船闸与升升船机中隔隔墩两侧进进行预列爆爆破，而后后中隔墩两两侧的船闸闸与升船机机深槽将自自下游往上上游方向大大致平行地地分层向下下开挖。但当时因受受升船机缓缓建方案的的干扰，在在升船机侧侧入槽前，，临时船闸闸侧深槽已已先行开挖挖，并形成成了深度近近20m的的深槽，如如下图所示示。出现的问题题在升船机的的深槽的下下游入槽段段开挖过程程,开挖仍仍按原设计计的程序进进行，即先先预裂\在在开挖。此时发现在在这种临时时船闸侧已已形成临空空面的条件件下，中隔隔墩在升船船机侧的直直立边墙进进行预裂爆爆破过程中中，在临时时船闸侧的的中隔墩顶顶部发生局局部坍塌现现象，并且且有将整个个中隔墩往往临时船闸闸深槽方向向侧向推出出的趋势。。为了防止上上述不利情情况的发生生，经现场场爆破开挖挖试验研究究，及时调调整了爆破破开挖程序序及爆破方方案：首先在升船船机深槽左左侧进行抽抽槽爆波以以形成一临临空面；而后逐步往往中隔墩方方向扩挖，，当扩挖至至所乘岩体体的厚度为为8-10m时，也也即达到中中隔墩厚度度的1/3左右时，，再在中隔隔墩直立边边墙部位进进行预裂爆爆破；最后，再用用常规的梯梯段爆破技技术将所剩剩岩体爆除除。这种爆破开开挖程序的的改变，实实质上是将将升船机侧侧原在半无无限介质条条件下的预预裂爆破方方式变为有有侧向临空空面的预裂裂爆破方式式。并且由于升升船机侧预预裂爆破时时，其升船船机侧未爆爆岩体厚度度仅为中隔隔墩厚度的的1/3，，从而保证证了爆炸能能量向升船船机侧岩体体集中，进进而保证了了中隔墩岩岩体的稳定定性。6.5.3岩石高高边坡的爆爆破动力稳稳定性施工期荷载载组合可能能成为多数数潜在滑体体最不利的的荷载组合合支护的施加加有一个过过程；施工期强降降雨等的影影响；排水条件；；考虑爆破震震动荷载后后的组合作作用爆源在潜在在滑体上部部：支护未施加加爆源在潜在在滑体下部部：计入锚固力力爆源在潜在在滑体外，，爆破振动动可能引起滑体的的动力失稳稳爆源在潜在在滑体内，，爆破力为为内力，不会出现爆爆破动力失失稳问题6.5.4瞬态态卸荷引起起的岩体松松动(a)存存在两组正正交节理(b)存存在顺坡节节理面(c)存存在反坡节节理面准静态卸载载条件直立坡面BD处水平平位移：结构面AC处：0在准静态卸卸载条件下下，对岩体体结构面AC而言，不会因开挖挖卸载而发发生结构面面的拉开现现象，也即即不会出现现岩体的松松动。瞬态卸载过过程假设在初始始时刻时，，瞬间释放放水平向初初始地应力力至0岩块的最终终水平向刚刚体位移可可直接由能能量守恒方方程确定不同卸载条条件下岩体体变形比较较初始应力σh/MPa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1.00.00.390.130.542.00.01.700.282.004.00.07.110.587.718.00.029.031.1830.2316.00.0117.312.38119.7232.00.0471.674.78476.47动态卸载条条件下，岩块除有弹弹性回复位位移产生，，还会发生生水平向的的刚体位移移，导致岩岩体结构面面被拉开，，岩体产生生水平向松松动现象结论：岩体初始应应力场的瞬瞬态卸载理理论能较好好解释不同同结构面面条件下岩岩体开挖过过程的动态态松动机理理。6.5.5动态态卸荷诱发发围岩振动动工程实例例瀑布沟水电电站地下厂厂房洞室群群设置了平行行布置的6条引水隧隧洞和2条条尾水隧洞洞引水洞为圆圆型断面，，洞径10.7m尾水洞则为为城门洞型型，断面尺尺寸为20.0×24.2m围岩为波速速4500m/s以上的的花岗岩(a)邻邻近的尾水水洞图8震动动监测测点点的布置(b)邻邻近的引水水洞(a)邻邻近的尾水水洞岩体初始应应力的线性性瞬态卸荷荷过程爆破震动和和开挖瞬态态卸荷诱发振动的的对比爆破荷载(a)6#测点实测震震动曲线(b)5#测点实测震震动曲线BL—爆破破震动；IN—瞬态态卸荷诱发发震动；MS1～MS15——雷管段别别图10尾尾水洞内内的实测围围岩震动时时程曲线将爆炸荷载载和地应力力动态卸载载所产生的的P波、S波都看作作振动信号号的激励源源，在它们们发生的瞬瞬间都将引引起信号的的突变，使使信号产生生奇异；可利用小波波变换刻画画信号局部部特征的能能力来区分分不同荷载载作用诱发发的振动实测振振动波波形中中不同同性质质波形形到达达的时时间差差测点部位测点号爆心距(m)剪切波滞后理论时间差(ms)实测时间差(ms)ts-tpt1t2t2-t1引水隧洞6#233.5～4.071772811尾水隧洞6#659.9～11.246049030图11引引水洞洞内的的实测测围岩岩震动动时程程曲线线图9上上导洞洞开挖挖爆破破设计计实测爆爆破震震动和和开挖挖荷载载瞬态态卸荷荷诱发发震动动的对对比区域炮孔类型雷管段别爆炸荷载(BL)/MPa开挖荷载(IS)/MPa计算荷载比值(BL/IS)实测震动比值(BL/IS)尾水隧洞掏槽孔MS121.220.01.10.94崩落孔MS314.211.01.31.1崩落孔MS714.211.01.30.94光面爆破孔MS154.14.01.00.75引水隧洞掏槽孔MS121.210.02.11.8崩落孔MS324.15.62.51.6光面爆破孔