1、岩石动力学讲稿岩体结构的岩石动力学讲稿岩体结构的动力效应动力效应n动力平衡方程为：n不计入c项时即为无阻尼的动力平衡方程。n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n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n形函数N仅与空间坐标有关，而与时间无关n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岩石介质阻尼的选取n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）n假设阻尼短脖与刚度矩
2、阵成正比（假定阻尼力与应变速率成正比）n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n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：n透射边界条件的处理n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n沿垂直和水平两个方向的粘性阻尼分布力可写为6.5.2 6.5.2 岩体开挖中的爆破损伤岩体开挖中的爆破损伤n完成岩体破碎的同时完成岩体破碎的同时,不可避免对保留岩体产生损伤不可避免对保留岩体产生损伤n在保留岩体表层出现爆破损伤影响区在保留岩体表层出现爆破损伤影响区n该区内表现为岩性参数的劣化
3、：原有裂隙的张开与扩展，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，渗透系数的增大等增大等n岩体爆破开挖过程中，保护保留岩体的力学特性不受或少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受影响，是开挖质量控制的核心 （1 1）爆破损伤安全判据）爆破损伤安全判据n事后工程检测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岩体力学参数的爆前爆后对比检测(声波声波,弹性模量弹性模量,透水率透水率)直接判断直接判断:钻孔电视钻孔电视n爆破震动质点峰值震动安全判据爆破震
4、动质点峰值震动安全判据 质点峰值震动速度安全判据质点峰值震动速度安全判据 n研究表明：研究表明：岩石爆破损伤与岩体中的质点峰值震岩石爆破损伤与岩体中的质点峰值震动速度密切相关动速度密切相关n理论基础：一维应力波理论理论基础：一维应力波理论 =t t/E/E PPV=c PPV=c t t PPV=PPV=质点峰值震动速度；质点峰值震动速度；c=c=岩体的纵波速度岩体的纵波速度t t=抗拉强度；抗拉强度；E=E=弹性模量弹性模量 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岩石爆破损伤的质点峰值震动速度临界值(Bauer 和和Calder6)质点峰值震动速度质点峰值震动速
5、度(cm/s)岩体损伤效果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表2 岩石爆破损伤的质点峰值震动速度临界值岩石爆破损伤的质点峰值震动速度临界值(Mojitabai和和Beatti)岩石类型岩石类型 单轴压缩单轴压缩 RQD(%)强度强度(Mpa)质点峰值震动速度质点峰值震动速度(cm/s)微损伤区微损伤区 中等损伤区中等损伤区 严重损伤区严重损伤区软片麻岩14-302013-15.515.5-35.535.5硬硬片麻岩片麻岩495023-3535-6060Shultze 花花岗岩岗岩30-554031-4747-170170斑晶花岗岩30-854
6、044-77.5775-12401240表表3 岩石爆破损伤的质点峰值震动速度临界值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 51 6352 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 381 254 12703 部分台阶面松动、崩落，台阶 较轻的爆破损伤 635 381 1905 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
7、，台阶坡脚爆 破漏斗的产生等。*斑岩：为坚硬、脆性及严重裂隙岩体；爆破损伤控制工程措施n基于爆破损伤控制的开挖程序的优化基于爆破损伤控制的开挖程序的优化n轮廓爆破方式的优选轮廓爆破方式的优选n开挖轮廓预裂爆破和光面爆破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n预裂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区的爆破对围岩的损伤.n 光面爆破光面爆破本身引起的损伤小本身引起的损伤小;不能屏蔽主开挖区的爆破对围岩的损伤不能屏蔽主
8、开挖区的爆破对围岩的损伤.n问题问题:有没有两者的完美结合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-I1n上述技术在临时船闸和升船机中隔墩爆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；破开挖过程首先得到成功运用；n永久船闸二期岩体开挖过程中也得到广永久船闸二期岩体开挖过程中也得到广泛运用。泛运用。临时船闸和升船机中隔墩爆破开挖n按原设计，当临时船闸与升船机部位开挖至按原设计，当临时船闸与升船机部位开挖至88m88m后，首先在临时船闸与升船机中隔墩两
9、侧后，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机深槽将自下游往上游方向大致平行地分层向下开挖。下开挖。n但当时因受升船机缓建方案的干扰，在升船机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，并形侧入槽前，临时船闸侧深槽已先行开挖，并形成了深度近成了深度近20m20m的深槽，如下图所示。的深槽，如下图所示。出现的问题n在升船机的深槽的下游入槽段开挖过程在升船机的深槽的下游入槽段开挖过程,开挖开挖仍按原设计的程序进行，即先预裂仍按原设计的程序进行，即先预裂
10、在开挖。在开挖。n此时发现在这种临时船闸侧已形成临空面的条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。闸深槽方向侧向推出的趋势。n为了防止上述不利情况的发生，经现场爆破开挖试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：验研究，及时调整了爆破开挖程序及爆破方案：n首先在升船机深槽左侧进行抽槽爆波以
11、形成一临空首先在升船机深槽左侧进行抽槽爆波以形成一临空面；面；n而后逐步往中隔墩方向扩挖，当扩挖至所乘岩体的而后逐步往中隔墩方向扩挖，当扩挖至所乘岩体的厚度为厚度为8-10m8-10m时，也即达到中隔墩厚度的时，也即达到中隔墩厚度的1/31/3左右时，左右时，再在中隔墩直立边墙部位进行预裂爆破；再在中隔墩直立边墙部位进行预裂爆破；n最后，再用常规的梯段爆破技术将所剩岩体爆除。最后，再用常规的梯段爆破技术将所剩岩体爆除。n这种爆破开挖程序的改变，实质上是将升船机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
12、裂爆破方式。有侧向临空面的预裂爆破方式。n并且由于升船机侧预裂爆破时，其升船机侧未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爆岩体厚度仅为中隔墩厚度的1/31/3，从而保证，从而保证了爆炸能量向升船机侧岩体集中，进而保证了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。中隔墩岩体的稳定性。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外，爆破振动可能引起滑体的动力失稳爆源在潜在滑体内，爆破力为内力，不会出现爆破动力失稳问题6.5.4 瞬态卸荷引起的岩体松动瞬态卸荷引起的岩体松动(a)存在两组正交节理存在两组正交节理(b)存在顺坡节
13、理面存在顺坡节理面(c)存在反坡节理面存在反坡节理面准静态卸载条件准静态卸载条件n直立坡面直立坡面BD处水平位移：处水平位移：n结构面结构面AC处处：0n在准静态卸载条件下，对岩体结构面在准静态卸载条件下，对岩体结构面AC而言，而言，不会因开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。动。瞬态卸载过程瞬态卸载过程n假设在初始时刻时，瞬间释放水平向初始地应力至假设在初始时刻时，瞬间释放水平向初始地应力至0n岩块的最终水平向刚体位移可直接由能量守恒方程确定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
14、不同卸载条件下岩体变形比较 结论：结论：岩体初始应力场的瞬态卸载理论能较好解释不同岩体初始应力场的瞬态卸载理论能较好解释不同 结构结构面条件下岩体开挖过程的动态松动机理。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动态卸荷诱发围岩振动工程实例n瀑布沟水电站地下厂房洞室群n设置了平行布置的6条引水隧洞和2条尾水隧洞n引水洞为圆型断面，洞径10.7 mn尾水洞则为城门洞型，断面尺寸为20.024.2 mn围岩为波速4 500 m/s以上的花岗岩(a)邻近的尾水洞图图8 震动监测测点的布置震动监测测点的布置(b)邻近的引水洞邻近的引水洞(a)邻近的尾水洞邻近的尾水洞岩
15、体初始应力的线性瞬态卸荷过程岩体初始应力的线性瞬态卸荷过程爆破震动和开挖瞬态卸荷爆破震动和开挖瞬态卸荷 诱发振动的对比诱发振动的对比爆破荷载爆破荷载(a)6#测点实测震动曲线测点实测震动曲线 (b)5#测点实测震动曲线测点实测震动曲线BL爆破震动；爆破震动；IN瞬态卸荷诱发震动；瞬态卸荷诱发震动；MS1MS15雷管段别雷管段别图图10 尾水洞内的实测围岩震动时程曲线尾水洞内的实测围岩震动时程曲线n将爆炸荷载和地应力动态卸载所产生的将爆炸荷载和地应力动态卸载所产生的P波、波、S波都看作振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，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；使信号产生奇异；n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实测振动波形中不同性质波形到达的时间差图图11 引水洞内的实测围岩震动时程曲线引水洞内的实测围岩震动时程曲线图图9 上导洞开挖爆破设计上导洞开挖爆破设计实测爆破震动和开挖荷载瞬态卸荷诱发震动的对比实测爆破震动和开挖荷载瞬态卸荷诱发震动的对比计算爆炸荷载计算爆炸荷载/开挖荷载比率开挖荷载比率与与实测爆破震动实测爆破震动/开挖诱发震动比率开挖诱发震动比率的对比的对比
