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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；難應用于體系自由度數目很多或被激起有貢獻的振型階數很多(如上述的沖擊振動)以及對非線性動力問題等,本節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,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對連續體系作離散外，還需要進一步在,時間域內進行離散以實現按時間步長
2、作數值積分,在動力問題中，就某一因時t1，單元結點的位移與單元內各點的位移的關系可表示為,形函數N僅與空間坐標有關，而與時間無關,對時間維作離散反映在以某一微小段時間(時步單元dt)內給定的起始和終止時刻的位移量(或速度、加速度),2,巖石介質阻尼的選取,假設阻尼矩陣與質量矩陣成正比（假定阻尼力與質點運動速度成正比）,假設阻尼短脖與剛度矩陣成正比（假定阻尼力與應變速率成正比）,瑞利阻尼：阻尼矩陣與質量矩陣及剛度矩陣有關，是質量矩陣和剛度矩陣的線性組合,3,瑞利阻尼 的系數可由體系的兩個振型(相應的自振頻率為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，此時只規定等價阻尼力而不規定位移,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生損傷,在保留巖體表層出現爆破損傷影響區,該區內表現為巖性參數的劣化：原有裂隙的張開與擴展，新裂隙的產生，巖體強度及聲波速度的降低，滲透系數的增大等,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，是開挖質量控制的核心,6,（1）爆破損傷安全判據,事后工程檢測判據,巖體力學參數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,爆破震動質點峰值震動安全判據,7,質點峰值震動速度安全判據,研究表明
4、：巖石爆破損傷與巖體中的質點峰值震動速度密切相關,理論基礎：一維應力波理論,=,t,/E,PPV=c,t,PPV=質點峰值震動速度；c=巖體的縱波速度,t,=抗拉強度；E=彈性模量,8,建議的質點峰值震動速度安全判據,巖石爆破損傷的質點峰值震動速度臨界值,(Bauer 和Calder,6,),質點峰值震動速度(cm/s),巖體損傷效果,254,完整巖石不會致裂,發生輕微的拉伸層裂,嚴重的拉伸裂縫及一些徑向,裂縫產生,巖體完全破碎,9,表2 巖石爆破損傷的質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),質點峰值震動速度(cm/s),
5、微損傷區 中等損傷區 嚴重損傷區,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 巖石爆破損傷的質點峰值震動速度臨界值,（Savely）,巖體損傷表現 損傷程度 質點峰值震動速度(cm/s),斑巖 頁巖 石英質中長巖,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
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化,輪廓爆破方式的優選,12,開挖輪廓預裂爆破和光面爆破的優選,預裂爆破:I1-I7-I6.I3-I2;光面爆破:I7-I6.I3-I2-I1,13,預裂爆破,14,光面爆破,15,16,預裂爆破預裂本身對圍巖產生
7、的損傷較光爆大；可屏蔽主開挖區的爆破對圍巖的損傷.,光面爆破本身引起的損傷小;不能屏蔽主開挖區的爆破對圍巖的損傷.,問題:有沒有兩者的完美結合?,17,有側向臨空面的預裂爆破技術,起爆順序:I7-I6-I5-I1-I4-I3-I2,預裂爆破:I1-I7-I6.I3-I2;光面爆破:I7-I6.I3-I2-I1,18,上述技術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進行預列爆破，而后中隔墩兩側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，在升船機側入槽前，臨時船閘側深槽已先行開挖，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,開挖仍按原設計的程序進行，即先預裂在開挖。,此時發現在這種臨時船閘側已形成臨空面的條件下，中隔墩在升船機側的直立邊墻進行預裂爆破過程中，在臨時船閘側的中隔墩頂部發生局部坍塌現象，并且有將整個中隔墩往臨時船閘深槽方向側向推出的趨勢。,22,為了防止上述不利情況的發生，經現場爆破開挖試驗研究，及時調整了爆破開挖程序及爆破方案：,首先在升船機深槽左側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裂爆破；,最后，再用常規的梯段爆破技術將所剩巖體爆除。,23,24,這種爆破開挖程序的改變，實質上是將升船機側原在半無限介質條件下的預裂爆破方式變為有側向臨空面的預裂爆破方式。,并且由于升船機側預裂爆破時，其升船機側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巖體集中，進而保證了中隔墩巖體的穩定性。,25,6.5.3 巖石高邊坡的爆破動力穩定性,施工期荷載組合可能成為多數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,爆源在潛在滑體內，爆破力為內力，,不會出現爆破動力失穩問題,28,6.5.4 瞬態卸荷引起的巖體松動,(a)存在兩組正交節理,(b)存在順坡節理面,(c)存在反坡節理面,29,準靜態卸載條件,直立坡面BD處水平位移：,結構面AC處：0,在準靜態卸載條件下，對巖體結構面,AC,而言，,不會因開挖卸載而發生結構面的拉開現象，也即不會出現巖體的松動。,30,瞬態卸載過程,假設在初始時刻時，瞬間釋放水平向初始地應力至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,初始應力,h,/MPa,結構面,AC,的,張開位移/mm,直立坡面,BD,的,水平位移/mm,準靜態卸載,瞬態卸載,準靜態卸載,瞬態卸載,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,動態卸載條件下，,巖塊除有彈性回復位移產生，還會發生水平向的剛體位移，導致巖體結構面被拉開，巖體產生水平向
12、松動現象,32,結論：,巖體初始應力場的瞬態卸載理論能較好解釋不同 結構面條件下巖體開挖過程的動態松動機理。,33,6.5.5 動態卸荷誘發圍巖振動工程實例,瀑布溝水電站地下廠房洞室群,設置了平行布置的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,巖體初始應力的線性瞬態卸荷過程,爆破震動和開挖瞬態卸荷,誘發振動的對比,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瞬態卸荷誘發震動；MS1MS15雷管段別,圖10 尾水洞內的實測圍巖震動時程曲線,37,將爆炸荷載和地應力動態卸載所產生的P波、S波都看作振動信號的激勵源，在它們發生的瞬間都將引起信號的突變，使信號產生奇異；,可利用小波變換刻畫信號局部特征的能力來區分不同荷載作用誘發的振動,實測振動波形中不同性質波形到達的時間差,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 引水洞內的實測圍巖震動時程曲線,圖9 上導洞開挖爆破設計,39,實測爆破震動和開挖荷載瞬態卸荷誘發震動的對比,區域,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/開挖誘發震動比率,的對比,41,在高地應力條件下，開挖荷載瞬態卸荷誘發的震動是隧洞開挖誘發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的圍巖震動實測資料驗證了開挖荷載瞬態卸荷誘發震動的存在,42,
巖石動力學講稿--巖體結構的動力效應(1)
