,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,方程为：,不计入c项时,即,即为无阻,尼,尼的动力,平,平衡方程,。,。,用有限无,法,法求解动,力,力问题时,，,，除了与,静,静力问题,一,一样先需,在,在空间域,内,内对连续,体,体系作离,散,散外，还,需,需要进一,步,步在时间域内,进,进行离散,以,以实现按,时,时间步长,作,作数值积,分,分,在动力问,题,题中，就,某,某一因时t1，单,元,元结点的,位,位移与单,元,元内各点,的,的位移的,关,关系可表,示,示为,形函数N仅与,空,空间坐标,有,有关，而,与,与时间无,关,关,对时间维,作,作离散反,映,映在以某,一,一微小段,时,时间(时,步,步单元dt)内给,定,定的起始,和,和终止时,刻,刻的位移,量,量(或速,度,度、加速,度,度),岩石介质,阻,阻尼的选,取,取,假设阻尼,矩,矩阵与质,量,量矩阵成,正,正比（假,定,定阻尼力,与,与质点运,动,动速度成,正,正比）,假设阻尼,短,短脖与刚,度,度矩阵成,正,正比（假,定,定阻尼力,与,与应变速,率,率成正比,）,）,瑞利阻尼,：,：阻尼矩,阵,阵与质量,矩,矩阵及刚,度,度矩阵有,关,关，是质,量,量矩阵和,刚,刚度矩阵,的,的线性组,合,合,瑞利阻尼,的,的系数,可,可由体系,的,的两个振,型,型(相应,的,的自振频,率,率为wj,及,及wj),的,的阻尼比LJ及AJ决定：,透射边界,条,条件的处,理,理,可以沿在,底,底部边界,安,安置粘性,元,元件作为,人,人为的阻,尼,尼边界，,此,此时只规,定,定等价阻,尼,尼力而不,规,规定位移,沿垂直和,水,水平两个,方,方向的粘,性,性阻尼分,布,布力可写,为,为,6.5.2 岩体,开,开挖中的,爆,爆破损伤,完成岩体,破,破碎的同,时,时,不可,避,避免对保,留,留岩体产,生,生损伤,在保留岩,体,体表层出,现,现爆破损,伤,伤影响区,该区内表,现,现为岩性,参,参数的劣,化,化：原有,裂,裂隙的张,开,开与扩展,，,，新裂隙,的,的产生，,岩,岩体强度,及,及声波速,度,度的降低,，,，渗透系,数,数的增大,等,等,岩体爆破,开,开挖过程,中,中，保护,保,保留岩体,的,的力学特,性,性不受或,少,少受影响,，,，是开挖,质,质量控制,的,的核心,（1）爆破损,伤,伤安全判据,事后工程检测,判,判据,岩体力学参数,的,的爆前爆后对,比,比检测(声波,弹性模量,透,透水率),直接判断:,钻,钻孔电视,爆破震动质点,峰,峰值震动安全,判,判据,质点峰值震动,速,速度安全判据,研究表明：,岩,岩石爆破损伤,与,与岩体中的质,点,点峰值震动速,度,度密切相关,理论基础：一,维,维应力波理论,=,t,/E,PPV=c,t,PPV=质,点,点峰值震动速,度,度；c=,岩,岩体的纵波,速,速度,t,=抗拉强度,；,；E=弹,性,性模量,建议的质点峰,值,值震动速度安,全,全判据,岩石爆破损伤,的,的质点峰值震,动,动速度临界值,(Bauer,和,和Calder,6,),质点峰值震动速度(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2 岩石爆,破,破损伤的质点,峰,峰值震动速度,临,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,-30,20,13-15.5,15.5-35.5,35.5,硬,片麻岩,49,50,23-35,35-60,60,Shultze 花岗岩,30-55,40,31-47,47-170,170,斑晶花岗岩,30-85,40,44-77.5,775-1240,1240,表3 岩石爆,破,破损伤的质点,峰,峰值震动速度,临,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 51 635,2 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 1270,3 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，台阶坡脚爆,破漏斗的产生等。,*,斑岩：为坚硬,、,、脆性及严重,裂,裂隙岩体；,爆破损伤控制,工,工程措施,基于爆破损伤,控,控制的开挖程,序,序的优化,轮廓爆破方式,的,的优选,开挖轮廓预裂,爆,爆破和光面爆,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,裂,裂本身对围岩,产,产生的损伤较,光,光爆大；可屏,蔽,蔽主开挖区的,爆,爆破对围岩的,损,损伤.,光面爆破本,身,身引起的损伤,小,小;不能屏,蔽,蔽主开挖区的,爆,爆破对围岩的,损,损伤.,问题:,有,有没有两者,的,的完美结合?,有侧向临空面,的,的预裂爆破技,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,上述技术在临,时,时船闸和升船,机,机中隔墩爆破,开,开挖过程首先,得,得到成功运用,；,；,永久船闸二期,岩,岩体开挖过程,中,中也得到广泛,运,运用。,临时船闸和升,船,船机中隔墩爆,破,破开挖,按原设计，当,临,临时船闸与升,船,船机部位开挖,至,至88m后，,首,首先在临时船,闸,闸与升船机中,隔,隔墩两侧进行,预,预列爆破，而,后,后中隔墩两侧,的,的船闸与升船,机,机深槽将自下,游,游往上游方向,大,大致平行地分,层,层向下开挖。,但当时因受升,船,船机缓建方案,的,的干扰，在升,船,船机侧入槽前,，,，临时船闸侧,深,深槽已先行开,挖,挖，并形成了,深,深度近20m,的,的深槽，如下,图,图所示。,出现的问题,在升船机的深,槽,槽的下游入槽,段,段开挖过程,开,开挖仍按原设,计,计的程序进行,，,，即先预裂,在,在开挖。,此时发现在这,种,种临时船闸侧,已,已形成临空面,的,的条件下，中,隔,隔墩在升船机,侧,侧的直立边墙,进,进行预裂爆破,过,过程中，在临,时,时船闸侧的中,隔,隔墩顶部发生,局,局部坍塌现象,，,，并且有将整,个,个中隔墩往临,时,时船闸深槽方,向,向侧向推出的,趋,趋势。,为了防止上述,不,不利情况的发,生,生，经现场爆,破,破开挖试验研,究,究，及时调整,了,了爆破开挖程,序,序及爆破方案,：,：,首先在升船机,深,深槽左侧进行,抽,抽槽爆波以形,成,成一临空面；,而后逐步往中,隔,隔墩方向扩挖,，,，当扩挖至所,乘,乘岩体的厚度,为,为8-10m,时,时，也即达到,中,中隔墩厚度的1/3左右时,，,，再在中隔墩,直,直立边墙部位,进,进行预裂爆破,；,；,最后，再用常,规,规的梯段爆破,技,技术将所剩岩,体,体爆除。,这种爆破开挖,程,程序的改变，,实,实质上是将升,船,船机侧原在半,无,无限介质条件,下,下的预裂爆破,方,方式变为有侧,向,向临空面的预,裂,裂爆破方式。,并且由于升船,机,机侧预裂爆破,时,时，其升船机,侧,侧未爆岩体厚,度,度仅为中隔墩,厚,厚度的1/3,，,，从而保证了,爆,爆炸能量向升,船,船机侧岩体集,中,中，进而保证,了,了中隔墩岩体,的,的稳定性。,6.5.3,岩,岩石高边坡的,爆,爆破动力稳定,性,性,施工期荷载组,合,合可能成为多,数,数潜在滑体最,不,不利的荷载组,合,合,支护的施加有,一,一个过程；,施工期强降雨,等,等的影响；,排水条件；,考虑爆破震动,荷,荷载后的组合,作,作用,爆源在潜在滑,体,体上部：,支护未施加,爆源在潜在滑,体,体下部：,计入锚固力,爆源在潜在滑,体,体外，爆破振,动,动可能,引起滑体的动,力,力失稳,爆源在潜在滑,体,体内，爆破力,为,为内力，,不会出现爆破,动,动力失稳问题,6.5.4,瞬,瞬态卸荷引,起,起的岩体松动,(a)存在,两,两组正交节理,(b)存在,顺,顺坡节理面,(c)存在,反,反坡节理面,准静态卸载条,件,件,直立坡面BD,处,处水平位移：,结构面AC处,：,：0,在准静态卸载,条,条件下，对岩,体,体结构面,AC,而言，不会因开挖卸,载,载而发生结构,面,面的拉开现象,，,，也即不会出,现,现岩体的松动,。,。,瞬态卸载过程,假设在初始时,刻,刻时，瞬间释,放,放水平向初始,地,地应力至0,岩块的最终水,平,平向刚体位移,可,可直接由能量,守,守恒方程确定,不同卸载条件,下,下岩体变形比,较,较,初始应力,h,/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,1.0,0.0,0.39,0.13,0.54,2.0,0.0,1.70,0.28,2.00,4.0,0.0,7.11,0.58,7.71,8.0,0.0,29.03,1.18,30.23,16.0,0.0,117.31,2.38,119.72,32.0,0.0,471.67,4.78,476.47,动态卸载条件,下,下，岩块除有弹性,回,回复位移产生,，,，还会发生水,平,平向的刚体位,移,移，导致岩体,结,结构面被拉开,，,，岩体产生水,平,平向松动现象,结论：,岩体初始应力,场,场的瞬态卸载,理,理论能较好解,释,释不同 结构,面,面条件下岩体,开,开挖过程的动,态,态松动机理。,6.5.5,动,动态卸荷诱,发,发围岩振动工,程,程实例,瀑布沟水电站,地,地下厂房洞室,群,群,设置了平行布,置,置的6条引水,隧,隧洞和2条尾,水,水隧洞,引水洞为圆型,断,断面，洞径10.7 m,尾水洞则为城,门,门洞型，断面,尺,尺寸为20.024.2m,围岩为波速4500 m/s以上的花,岗,岗岩,(a)邻近,的,的尾水洞,图8 震动监,测,测测点的布置,(b)邻近,的,的引水洞,(a)邻近,的,的尾水洞,岩体初始应力,的,的线性瞬态卸,荷,荷过程,爆破震动和开,挖,挖瞬态卸荷,诱发振动的对,比,比,爆破荷载,(a)6,#,测点实测震动,曲,曲线,(b)5,#,测点实测震动,曲,曲线,BL爆破震,动,动；IN瞬,态,态卸荷诱发震,动,动；MS1MS15雷,管,管段别,图10 尾,水,水洞内的实测,围,围岩震动时程,曲,曲线,将爆炸荷载和,地,地应力动态卸,载,载所产生的P,波,波、S波都看,作,作振动信号的,激,激励源，在它,们,们发生的瞬间,都,都将引起信号,的,的突变，使信,号,号产生奇异；,可利用小波变,换,换刻画信号局,部,部特征的能力,来,来区分不同荷,载,载作用诱发的,振,振动,实测振动波形,中,中不同性质波,形,形到达的时间,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),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#,65,9.9,11.2,460,490,30,图11 引水,洞,洞内的实测围,岩,岩震动时程曲,线,线,图9 上导,洞,洞开挖爆破设,计,计,实测爆破震动,和,和开挖荷载瞬,态,态卸荷诱发震,动,动的对比,