柱状节理岩体爆破开挖松动的数值模拟.pdf

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第 33 卷 第 1 期 2016 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol 33 No 1 Mar 2016 doi 10 3963/ j issn 1001 -487X 2016 01 007 柱状节理岩体爆破开挖松动的数值模拟* 王 晗 a, b, 陈 明a, b, 卢文波a, b, 朱 亮a, b, 严 鹏a, b (武汉大学 a 水资源与水电工程科学国家重点实验室; b 水工岩石力学教育部重点实验室, 武汉 430072) 摘 要 采用 Voronoi 方法生成柱状节理, 并在炮孔壁边界施加爆炸荷载, 建立离散元数值模型模拟地下洞 室光面爆破过程。通过设置不同地应力水平的工况, 来研究爆破开挖过程中地应力和爆炸荷载耦合作用下 柱状节理玄武岩的松动机理。结果表明 爆破开挖过程中, 柱状节理面存在张开和剪切滑移两种破坏模式, 并在开挖卸荷时表现出张开后再闭合的特征。准静态卸荷对围岩松动变形的影响范围小于开挖瞬态卸荷, 而考虑爆炸荷载与开挖瞬态卸荷耦合作用的开挖方式下围岩松动范围最大。地应力水平越高, 开挖瞬态卸 荷导致的松动变形范围越大。 关键词 光面爆破;柱状节理岩体;地应力水平;松动变形;数值模拟 中图分类号 O382 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X (2016) 01 -0034 -06 Numerical Simulate on Loosen Blasting Excavation in Columnar Jointed Rock Mass WANG Hana, b, CHEN Minga, b, LU Wen-boa, b, ZHU Lianga, b, YAN Penga, b (a State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science; b Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering, Ministry of Education, Wuhan University, Wuhan 430072, China) Abstract Columnar joints were created by Voronoi , and blast load was applied to the wall of borehole Discrete element model was generated to simulate the process of smooth blasting in the underground caverns Differ- ent in-situ stress level was set to study the mechanism of the loosing of columnar jointed basalt under the coupling effect of the in-situ stress and blast load during blasting excavation Result shows that, two kind of failure mode, open and shear slip, are found in the columnar joints during blasting excavation, and the joint plane closed after the open- ing of the columnar joints Compared with the quasi-static unloading, transient unloading has greater effect on the loo- sing of surrounding rock The higher the in-situ stress level is, the bigger the loosing deation zone becomes Key words smooth blasting;columnar jointed rock mass;in-situ stress level;loosing deation;numerical simulation 收稿日期 2015 -10 -21 作者简介 王 晗 (1991 - ) , 男, 硕士研究生, 研究方向为工程爆破 与岩石动力学,(E-mail) 913942298 qq com。 通讯作者 陈 明 (1977 - ) , 男, 博士、 副教授, 主要从事水利水电工 程施工技术及岩石动力学方面的教学与研究,(E-mail) whuchm whu edu cn。 基金项目 国家自然科学基金面上项目 (No51279146、 No51479147) ; 新 世纪优秀人才支持计划资助 (NCET-12-0425) 我国西南地区的一些在建和已建的大型水电站 工程中, 遇到大量的二叠系峨眉山柱状节理玄武岩。 柱状节理岩体由完整坚硬的岩块和呈规则或不规则 多边形的柱状节理组成, 两者的物理力学特征差异 很大。爆破开挖过程中柱状节理岩体的强度与变形 性能及其稳定性, 已经引起水电工程科技工作者的 高度关注。 针对柱状节理岩体物理力学特征和破坏特性, 许多学者进行了研究。Gran 通过室内试验模拟了 地下隧洞的开挖, 揭示了节理岩体的动态响应 [1]。 Hatzor 等通过不连续变形分析法 (DDA) 对柱状节理 玄武岩地下隧洞开挖松动区进行研究, 发现柱状节 理岩体结构的各向异性特征是控制围岩松动区形式 和方位的控制因素 [2]。jin 通过数值模拟研究了柱 状节理岩体原生结构面和隐晶岩微裂隙的破坏模 式 [3]。徐卫亚等对柱状节理岩体进行数值模拟分 析, 认为各向异性弹塑性模型更能模拟柱状节理岩 体的特殊性 [4]。肖维民等通过试验研究了单轴压 缩条件下柱状节理岩体典型破坏模式以及强度各向 异性的特性 [5]。朱道建通过数值模拟分析了地下 洞室柱状节理岩体的开挖卸荷效应 [6]。孙金山等 分析了爆破开挖和地应力卸荷对围岩损伤的影响, 建立了基于应力波理论的节理岩体的瞬态卸荷力学 模型, 并运用离散元方法研究了地应力瞬态调整过 程中节理岩体围岩的松动过程 [7]。目前针对柱状 节理岩体的研究, 在其物理力学特性和破坏特性等 方面取得较大进展, 而对于不同地应力水平下爆破 开挖对围岩松动问题还有待进一步的研究 [8-10]。 采用离散元软件 UDEC, 数字数值模拟的分析 方法, 模拟地下洞室柱状节理玄武岩爆破开挖过程, 来研究地应力和爆炸荷载耦合作用下柱状节理玄武 岩的松动机理, 并分析不同的地应力水平下柱状节 理玄武岩爆破松动规律, 为柱状节理岩体爆破开挖 损伤及稳定性控制提供参考。 1 柱状节理岩体爆破松动数值模型 1 1 模型和参数 采用如图 1 所示的离散元模型, 尺寸为 20 m 20 m, 采用 Voronoi 随机节理生成器, 柱状节理取特 征尺寸为 0 3 m, 控制柱面形状为四边形和五边形 为主, 模型接近实际情况。地下洞室为一圆形隧洞, 其开挖半径为 2 6 m, 模拟分析光面爆破时岩体的松 动机理。光面爆破保护层厚度为 0 6 m, 炮孔直径为 42 mm, 孔距为50 cm, 爆破药卷直径为25 mm, 共布置 30 个炮孔。模型采用粘性不反射边界 (图1 中的Vis- cous 边界) , 通过在边界设置粘壶吸收振动波。 图 1 数值模拟模型 Fig 1 Numerical simulation model 岩体采用理想弹塑性模型, Mohr-Coulomb 强度 准则作为屈服准则, 节理采用 Coulomb 滑动准则作 为屈服准则。岩石力学参数和柱状节理力学参数参 考文献 [11] 取值, 见表 1。 表 1 岩石和柱状节理面力学参数 Table 1 Mechanical parameters of the rock and joints 岩石材料力学特性 节理材料力学特性 密度/ (kgm -3) 弹性模量/ GPa 泊松比 内聚力/ MPa 摩擦角/ () 抗剪强度/ MPa 法向刚度/ GPa 切向刚度/ GPa 内摩擦角/ () 粘聚力/ MPa 抗拉强度/ MPa 2800600 20 945552 912 8250 750 78 1 2 爆炸荷载的确定 爆炸荷载对岩体的扰动作用, 主要受爆炸荷载 峰值及其变化过程的影响。基于炸药爆轰波 C-j 理 论, 采用文献 [8] 中的公式, 炸药的瞬时爆轰平均压 53第 33 卷 第 1 期 王 晗, 陈 明, 卢文波, 等 柱状节理岩体爆破开挖松动的数值模拟 力为 PD ρeD2 2 (γ 1) (1) 式中 PD为炸药爆轰平均初始压力; ρe为炸药密度, 取炸药密度为 1 0 g/ cm3; D 为炸药爆速, 取 D 3800 m/ s; γ 为炸药的等熵指数, 一般取 3。 若装药不耦合系数较小, 爆炸荷载峰值压力为 P0 ρeD2 2 (γ 1) dc d b 2γ (2) 式中 dc为装药直径; db为炮孔直径。 本次数值模拟取炮孔直径为42 mm, 药卷直径为 25 mm, 装药不耦合系数较小, 由式 (1) 式 (2) 可得 作用在炮孔壁边界的爆破峰值压力为8028 MPa。 为简化分析, 目前研究中多将爆炸荷载进一步 简化为具有线性上升段和下降段的三角形荷载。计 算中, 爆炸荷载也采用三角形式, 如图 2 所示, 取爆 炸荷载的上升时间为 tr 2 ms, 正压作用时间为 td8 ms。 图 2 爆炸荷载压力曲线 Fig 2 The history of blasting load 1 3 工况设置 具体工况设置见表 2, 通过各种工况设置, 可以 研究不同地应力水平下爆破开挖扰动对柱状节理岩 体松动的影响规律和不同地应力水平下准静态卸 荷、 开挖瞬态卸荷对柱状节理岩体松动的影响规律。 选取应力水平为 20 MPa 时爆破开挖引起的岩体松 动过程, 具体分析爆炸荷载与开挖瞬态卸荷耦合作 用下松动机理, 并对比分析不同开挖方式对柱状节 理岩体松动的影响。 表 2 数值模拟工况设置 Table 2 Condition of numerical modeling 开挖方式应力水平 准静态卸荷/ MPa5、 10、 20、 30 和 50 开挖瞬态卸荷/ MPa5、 10、 20、 30 和 50 爆炸荷载 开挖瞬态卸荷/ MPa0、 5、 10、 20、 30 和 50 2 模拟结果 2 1 松动过程图 图 3 为 20 MPa 地应力下爆破开挖岩体松动过 程图。UDEC 程序默认节理无法向力时定义为节理 张开破坏。围岩岩体在光爆层爆除前由于前一轮的 开挖卸荷作用影响, 存在一定的张开变形。在爆破 开挖过程中, 围岩岩体松动现象可分为多个阶段。 第1 阶段 首先, 在爆破破岩时, 孔壁受到爆炸荷 载的冲击作用, 炮孔壁上产生的爆生裂纹在爆炸冲击 波和应力波的作用下沿炮孔轴线扩展以致贯通, 部分 张开的节理面会迅速出现闭合, 见图3 (a) (b) 。 图 3 爆破开挖岩体松动过程 Fig 3 Developing process of rock mass loosing under blasting excavation 63爆 破 2016 年 3 月 第 2 阶段 炮孔间的裂纹面贯通后, 由于开挖轮 廓面处的卸载作用, 形成的卸载波的波阵面向岩体 深部推进, 对岩体产生张拉作用, 闭合的节理面又会 张开, 并且在岩体内部产生新的裂纹, 见图 3 (b) (c) 。计算中, 爆炸荷载的正压作用时间为 8 ms, 围 岩在爆炸应力波和卸荷波的共同作用下, 产生裂纹 的范围不断扩大, 在 14 ms 时围岩岩体节理面张拉 破坏和剪切破坏范围达到最大值, 见图 3 (c) (d) , 卸载波与爆炸应力波的耦合作用增大了岩体 中张拉裂隙和结构面张开程度和深度。 第 3 阶段 此后, 卸载波的反射作用对围岩岩体 造成了一定的回弹作用, 柱状节理面的法向应力增 加, 摩擦力也增加, 出现剪切滑移的柱状节理面的抗 剪切强度超过其所受切向力, 部分节理面又出现闭 合现象, 见图 3 (d) (e) 。 第 4 阶段 最后, 出现剪切滑移的柱状节理面大 部分闭合, 最终的围岩松动区经过进一步调整趋于 稳定, 见图 3 (f) 。 可见, 在地下隧洞爆破开挖过程中, 许多闭合的 柱状节理面实际上经历过张开或者剪切滑移的松动 过程, 并且柱状节理面一旦出现剪切滑移或张开破 坏, 其物理力学特性将出现很大劣化, 实际出现松动 的区域可能远远大于最终松动区。 2 2 柱状节理岩体松动机理的分析 柱状节理岩体的爆破开挖, 特别是高地应力状 态下的开挖, 其应力及位移变化过程是一个高速的 动态卸荷过程, 主要特点是卸荷速率高, 释放应力 大, 岩体松动特征明显 [9]。 深埋隧洞岩体处于中高地应力状态, 在爆破破 岩过程中, 裂纹沿炮孔连线方向柱状节理面优先扩 展, 相邻炮孔在极短的时间 (毫秒级) 内贯通, 形成 新的自由面。被开挖岩体对轮廓面上保留岩体的约 束荷载瞬间消失, 即开挖荷载瞬态卸荷。卸载波的 波阵面以岩体的纵波速度往岩体深部推进, 对岩体 产生张拉作用, 波阵面外侧岩体维持其初始应力状 态, 将受到开挖荷载的卸荷影响。冯夏庭等通过对 白鹤滩水电站地下隧洞围岩变形进行检测研究, 并 基于现场调查和电镜扫描实验建立离散元节理岩体 退化模型 (D-CRDM) 研究了柱状节理玄武岩各向异 性特性、 隧洞开挖卸荷破坏机制和损伤模式, 认为柱 间节理面是原生的张拉节理, 破坏形式为张拉和剪 切共存; 受多组节理切割的岩体当法向力超过节理 面抗拉强度时, 沿着柱状节理面开裂并滑移, 形成剪 破坏特征 [10, 11]。从图 3 (d) 可见张拉变形 (红色) 和 剪切变形 (蓝色) 在围岩变形破坏中共存, 说明在光 面爆破开挖过程中, 当法向力超过柱状节理面抗拉 强度时, 就会沿着节理面张开并滑移, 柱状节理面之 间相互摩擦产生剪切位移, 并形成所谓的剪切破坏 特征, 这与文献 [11] 的结论相一致。 可见, 由于节理面物理力学特性较差, 围岩松动 变形破坏优先在起控制作用的柱状节理面上扩展深 入。爆破开挖引起的岩体开挖瞬态卸荷对岩体的作 用是复杂的, 爆炸荷载的 “快加快卸” 作用一方面对 岩体造成冲击松动, 另一方面诱发岩体初始地应力 卸荷的发生, 爆炸应力波与地应力开挖卸荷的耦合 作用导致岩体出现松动现象。 2 3 地应力对岩体松动的影响 不同地应力水平下深埋地下洞室爆破开挖柱状 节理岩体的松动变形见图 4, 图中所显示的松动情 况是卸荷过程中最大张开变形情况, 即围岩实际松 动范围。 由图 4 可知, 随着地应力水平的提高, 会增大爆 破开挖引起的岩体开挖瞬态卸荷对围岩岩体造成的 松动损伤程度, 柱状节理岩体破坏趋势为沿开挖区 向四周扩展, 软弱的柱状节理面出现松动变形, 由于 模型生成柱状节理的随机性, 岩体松动变形并不是 严格的对称。地应力按照静水压力施加, 柱状节理 岩体松动区近似圆环形。 计算结果表明, 不同地应力状态下, 围岩岩体松 动程度不同。表 3 列出了不同地应力水平下爆破开 挖引起的柱状节理岩体松动和开裂变形的最大范 围, 并且表现为地应力水平越高, 开挖瞬态卸荷对于 围岩岩体松动的影响越明显, 引起的围岩岩体松动 变形程度和深度越大。从表中可看出各工况下围岩 最大松动范围在 1 4 m 以内, 文献 [11] 依托白鹤 滩水电站隧洞爆破开挖工程, 通过钻孔成像技术, 得 到实测的围岩松动损伤范围为 0 4 m, 这与本文中 的模拟效果基本吻合。 2 4 不同开挖方式下围岩松动情况 为了对比不同开挖方式对柱状节理岩体松动变 形的影响效果, 导出20 MPa 地应力下瞬态卸荷和准 静态卸荷围岩松动变形图, 见图 5 和图 6。结合 图 4 (d) 和表 3 可知, 准静态卸荷对围岩松动变形的 影响范围小于开挖瞬态卸荷, 说明地下洞室开挖方 式是影响围岩松动变形的主要因素。爆炸荷载扰动 会增大围岩岩体松动区范围, 考虑爆炸荷载与开挖 瞬态卸荷耦合作用的开挖方式下围岩松动变形范围 最大。 73第 33 卷 第 1 期 王 晗, 陈 明, 卢文波, 等 柱状节理岩体爆破开挖松动的数值模拟 表 3 不同工况下松动范围 Table 3 Loosing zone under different condition 工况 0 MPa5 MPa 不同地应力时松动范围/ m 10 MPa20 MPa30 MPa50 MPa 准静态卸荷1 051 492 072 452 90 开挖瞬态卸荷1 241 762 432 883 41 爆炸荷载 开挖瞬态卸荷0 551 862 202 632 943 47 图 4 不同地应力水平下松动情况 Fig 4 Loosing deation under different in-situ stress level 图 5 准静态卸荷松动情况 Fig 5 Loosing deation under quasi-static unloading 另外, 地应力水平在不同开挖方式下对于围岩 岩体松动的影响程度也不一样。在中高地应力下, 瞬态卸荷对于围岩松动区的影响大于准静态卸荷, 而地应力水平越高这种差异越明显。考虑地应力和 爆炸荷载的耦合作用, 地应力水平越高, 其与开挖瞬 态卸荷的差异越小, 说明中高地应力下爆炸荷载对 于围岩松动的影响小于开挖瞬态卸荷, 这在工程实 践和科学研究中应得到重视。 图 6 瞬态卸荷松动情况 Fig 6 Loosing deation under transient unloading 3 结论 采用 UDEC 数值模拟技术, 对柱状节理玄武岩 83爆 破 2016 年 3 月 深埋地下洞室光面爆破进行了分析, 得到以下结论 (1)爆破开挖过程中, 柱状节理面存在张开和 剪切滑移两种破坏模式, 并且在开挖卸荷时表现出 张开后再闭合的特征。 (2) 隧洞开挖方式是影响围岩松动的主要因 素, 开挖瞬态卸荷对围岩松动范围的影响大于准静 态卸荷, 而考虑爆炸荷载与开挖瞬态卸荷耦合作用 下围岩松动区最大。 (3) 不同地应力下爆破开挖对围岩岩体松动范 围影响不同。在低地应力下, 爆炸荷载对围岩松动 变形的影响较明显; 而在中高地应力下, 开挖瞬态卸 荷要大于爆炸荷载对于围岩松动区的影响程度。 参考文献 (References) [1] GRAN j K, SENSENY P E, GROETHE M A, et al Dy- namic response of an opening in jointed rock [j] Interna- tional journal of Rock Mechanics Mining Sciences, 1998, 35 (8) 1021-1035 [2] HATZOR Y H, FENG X, LI S, et al Tunnel reinforcement in columnar jointed basalts The role of rock mass anisot- ropy [j] Tunnelling and Underground Space Technology, 2015 1-11 [3] jIN C, YANG C, FANG D, et al Study on the failure mechanism of basalts with columnar joints in the unloa- ding process on the basis of an experimental cavity [j] Rock Mechanics and Rock Engineering, 2014, 48 (3) 1275-1288 [4] 徐卫亚, 郑文棠, 宁 宇, 等 柱状节理坝基岩体三维 各向异性数值分析 [j] 岩土力学, 2010, 31 (3) 949- 955 [4] XU Wei-ya, ZHENG Wen-tang, NING Yu, et al 3D aniso- tropic numerical analysis of rock mass with columnar joints for dam foundation [j] Rock and Soil Mechanics, 2010, 31 (3) 949-955 (in Chinese) [5] 肖维民, 邓荣贵, 付小敏, 等 单轴压缩条件下柱状节 理岩体变形和强度各向异性模型试验研究 [j] 岩石 力学与工程学报, 2014, 33 (5) 957-963 [5] XIAO Wei-min, DENG Rong-gui, FU Xiao-min, et al Model experiments on deation and strength anisotropy of co- lumnar jointed rock masses under uniaxial compression [j] Chinese journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33 (5) 957-963 (in Chinese) [6] 朱道建 柱状节理岩体开挖卸荷效应及破裂区分布规 律 [j] 浙江大学学报 (工学版) , 2010 (10) 1967- 1973 [6] ZHU Dao-jian Unloading effect and rapture zone distribu- tion of columnar joints cavern [j] journal of Zhejiang U- niversity (Engineering Science) , 2010 (10) 1967-1973 (in Chinese) [7] 孙金山, 金 李, 姜清辉, 等 地下洞室爆破开挖过程 中地应力瞬态调整诱发节理围岩松动机制研究 [j] 振动与冲击, 2011 (12) 28-34 [7] SUN jin-shan, jIN Li, jIANG Qing-hui, et al Loosing mechanism of jointed rock mass induced by transient ad- justment of in-situ stress [j] journal of Vibration and Shock, 2011 (12) 28-34 (in Chinese) [8] 杨建华, 卢文波, 陈 明, 等 岩石爆破开挖诱发振动 的等效模拟方法 [j] 爆炸与冲击, 2012, 32 (2) 157- 163 [8] YANG jiang-hua, LU Wen-bo, CHEN Ming, et al An e- quivalent simulation for blasting vibration of sur- rounding rock [j] Explosion and Shock Waves, 2012, 32 (2) 157-163 (in Chinese) [9] 卢文波, 金 李, 陈 明, 等 节理岩体爆破开挖过程 的动态卸载松动机理研究 [j] 岩石力学与工程学报, 2005, 24 (8) 4653-4657 [9] LU Wen-bo, jIN Li, CHEN Ming, et al Study on the mecha- nism of jointed rock mass loosing induced by dynamic unloa- ding of initial stress during rock blasting [j] Chinese jour- nal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24 (8) 4653- 4657 (in Chinese) [10] 郝宪杰, 冯夏庭, 江 权, 等 基于电镜扫描实验的柱 状节理隧洞卸荷破坏机制研究 [j] 岩石力学与工程 学报, 2013, 32 (8) 1647-1655 [10] HAO Xian-jie, FENG Xia-ting, jIANG Quan, et al Re- search on unloading failure mechanism of columnar joint- ed rock mass in tunnel based on scanning electron mi- croscopy experiments [j] Chinese journal of Rock Me- chanics and Engineering, 2013 , 32 (8) 1647-1655 (in Chinese) [11] CORPORATION H P Application of D-CRDM in columnar jointed basalts failure analysis [j] journal of Applied Mathematics, 2013, 32 (61) 1-11 93第 33 卷 第 1 期 王 晗, 陈 明, 卢文波, 等 柱状节理岩体爆破开挖松动的数值模拟
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