深部岩体爆破开挖破坏的数值流形法研究

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　*杨石扣1，任旭华2，张继勋2

　　(1.河海大学力学与材料学院，江苏南京211100;2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098)

　　摘要：深部岩体工程在爆破开挖地下洞室时，围岩除了发生岩爆和挤压大变形，还会发生分区破裂化现象

　　。运用数值流形法在裂纹扩展和动力分析中的优势，模拟了地下洞室爆破开挖、卸荷和渐进破坏过程。为了表征裂纹尖端附近位移场的非连续性和应力场的奇异性，在相应的物理覆盖位移函数中引入裂纹尖端奇异函数，并根据最大环向拉应力准则判定裂纹的扩展和方向。选取两个算例分析了地下洞室在开挖卸荷和爆破冲击荷载作用下的渐进破坏过程。计算结果表明，地下洞室围岩产生了分区破裂化现象，破坏形态主要为张拉型和剪切型，取决于其应力状态，第一个洞径范围内破碎较为严重，之后呈现周期性，影响范围大约为四倍洞径。加深了对深部岩体开裂机制的认识，对今后的施工开挖具有指导意义。

　　关键词：深部岩体;爆破荷载;地下洞室;开挖卸荷;分区破裂化;数值流形法

　　STUDYONTHEFAILUREOFDEEPROCKMASSDUETOBLASTINGANDEXCAVATIONWITHTHENUMERICALMANIFOLDMETHOD*YANGShi-kou1,RENXu-hua2,ZHANGJi-xun2(1.CollegeofMechanicsandMaterials,HohaiUniversity,Nanjing211100,China;2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract:Whenexcavatingundergroundcavernsbyblastingindeeprockmassengineering,inadditiontorockburstandlargeextrusiondeformation,thephenomenonofzonaldisintegrationofsurroundingrockappears.Takingtheadvantagesofnumericalmanifoldmethodincrackpropagationanddynamicanalysis,theprocessofheundergroundcavernexcavationbyblasting,unloadingandgradualdestructionissimulated.Inordertocharacterizethediscontinuousdisplacementandthestresssingularityaroundcracktip,thesingularfunctionsofacracktipareincorporatedintothedisplacementfunctionofcorrespondingphysicalcovers,andthepropagationandthepropagatingdirectionofacrackcanbedeterminedaccordingtothemaximumcircumferentialtensiletresscriterion.Twonumericalexamplesarechosentoanalyzetheprogressivefailureprocessofundergroundcavernundertheloadingsinducedbyexcavationandblasting.Theresultsshowthatthezonaldisintegrationphenomenoncanbeobtainedinthesurroundingrock,andthefailurestyleismainlytensileandsheartypedependingonthestressaroundcracktip.Seriousfailureappearsinthefirstdiameterrangeofundergroundcavernandthenperiodicfailureappearsuptofourtimesthediameterrangeofthetunnel.Therefore,theunderstandingofcrackingmechanismfordeeprockmasscanbedeepenedwiththepresentmethodandtheconstructionofundergroundexcavationcanbeguidedinthefuture.

　　Keywords:deeprockmass;blastingload;undergroundcavern;excavationinducedunloading;zonaldisintegration;numericalmanifoldmethod

　　锦屏一级、二级[1,2]和二滩水电站等工程的深埋地下厂房洞室群的岩体爆破开挖过程中，出现了大量的片帮、板裂以及与开挖面平行的深部裂纹等围岩破坏现象[3]。深部岩体工程在爆破开挖过程中，围岩除了发生岩爆和挤压大变形，还会发生分区破裂化现象[4,5]。在深部岩体的高地应力赋存环境下，岩体开挖卸荷引起的应力波动甚至是微小波动即可引起围岩脆性断裂[6]。另外，地下洞室开挖后，岩体处于卸荷状态，不同的施工开挖方式[5](TBM法和钻爆法)和支护方法对洞室周边岩体裂纹扩展是不同的。采用TBM法开挖，岩体主要处于地应力卸荷状态，而采用钻爆法开挖，岩体则处于地应力卸荷和爆破冲击双重荷载作用下的复杂状态。岩体开挖卸荷后如何准确的描述其破坏及其动态破坏过程是力学家和工程技术人员非常关心的问题，一直以来众多科研工作者致力于这些问题的研究。

　　数值流形法(NMM)通过数学覆盖(MC)的分割形成不同的物理覆盖(PC)描述结构的非连续特性，在非连续介质变形领域具有独特的优势，故而其在裂纹扩展中应用较广。王水林等[7]较早采用数值流形法进行裂纹扩展模拟。An等[8]详细阐述了裂纹及其扩展在数值流形法中的表征。刘红岩等[9,10]研究了节理岩体在受到冲击荷载作用时的破坏情况，详细分析了其破坏过程。徐栋栋和郑宏[11]通过旋转数学网格说明数值流形法处理奇异性时的网格无关性。杨永涛等[12]则讨论了动载下裂纹尖端应力强度因子的计算。

　　在数值流形法进行岩体开挖方面，郑榕明等[13]曾研究地下洞室开挖稳定性，但未具体说明其实现细节，朱爱军等[14]采用数值流形法模拟开挖卸荷问题，获得了不同开挖步下的位移场，但文中并没有考虑洞室周边裂纹的动态扩展问题，焦健等[15]也进行了类似的模拟，Tal等[16]主要介绍了流形法如何实现初始地应力场的生成和开挖的模拟，侯公羽等[17]则采用有限差分法比较分析了开挖对支护的影响。

　　深部岩体爆破开挖破坏是一个渐进的动力学过程，以往的研究没有考虑爆破冲击效应的影响，而且即使考虑了其动力学效应也是从连续介质力学的角度进行分析。深部岩体爆破开挖破坏，其破坏过程常伴随着新裂纹的产生和旧裂纹的扩展，为了描述裂纹尖端位移的非连续性和应力的奇异性，本文在传统数值流形法中引入裂纹尖端奇异覆盖函数扩展传统数值流形法，即扩展的数值流形法(ENMM)，并将其用于分析爆破开挖卸荷下围岩的破坏过程。

　　1扩展的数值流形法

　　1.1ENMM的覆盖函数

　　数值流形法(NMM)是石根华[18]于1991年在非连续变形分析(DDA)的基础上提出的，主要包含三个基本概念，即数学覆盖、物理覆盖和流形单元。数学覆盖由一系列覆盖物理域的有限重叠网格所组成。每个小网格称为一个数学覆盖，设为Mi，i=1~nM，nM为数学覆盖总数，如图1所示。物理覆盖通过数学覆盖和物理域求交而成。当数学覆盖被物理域边界或内部裂隙完全切分时，设共形成nPi个独立的小覆盖，这些小覆盖被称为物理覆盖，记为Pij，j=1~nPi，如图1中物理覆盖P21、P22和P23所示。物理覆盖(如Pii1，Pji2和Pki3)的公共域定义一个流形单元，记为EPPP(,,)ijkiii123，如图1所示。

　　2爆破开挖荷破坏在NMM中的实现

　　2.1裂纹起裂破坏准则和动态扩展破坏准则

　　摩尔库伦破坏准则在岩土工程中应用十分广泛，故而在结构无初始预制裂纹时，采用带拉伸破坏的摩尔库伦破坏准则作为起裂判据流形单元所属材料的粘结力、抗拉强度和内摩擦角。

　　3数值算例

　　深部岩体开挖卸荷，除非开挖进度较慢，让地应力慢慢地释放，其周边岩体破坏过程属于准静态过程，否则地下洞室开挖卸荷应该属于动力学问题，在计算过程中应该考虑动力学效应，所使用的材料力学参数也应该是动力学参数，在求解裂纹尖端应力强度因子时也应该考虑惯性项。故而本小节主要考虑单纯地应力卸荷(洞室周边含初始预制裂纹)以及地应力卸荷和爆破冲击耦合(洞室周边无初始预制裂纹)的两种情况，计算参数均为动力学参数，并按平面应变问题进行计算。计算模型见图3，设洞室周边岩体密度为2500kgm3，弹性模量为35GPa，泊松比为0.23，断裂韧度KIC=0.045MPam×，内摩擦角为52°，粘聚力为2.5MPa，抗拉强度为2.5MPa;裂纹材料参数为内摩擦角为30°，粘聚力和抗拉强度均为0.04MPa。在水平方向和竖直方向施加的初始地应力场均为-25MPa，四周边界全约束。

　　4结论

　　(1)本文考虑了爆破冲击和开挖卸荷两种因素，通过数值流形法和断裂力学的基本原理分析了爆破开挖后围岩卸荷和渐进破坏的全过程，加深了对深部岩体在冲击荷载和开挖效应下开裂机制的认识，具有较大的实际应用价值。

　　(2)将断裂力学中关于裂纹尖端位移和应力解析解的基函数提取出来，并在相应的物理覆盖位移函数中引入这些裂纹尖端基函数，可以表征裂纹尖端附近位移场的非连续性和应力场的奇异性，并根据最大环向拉应力准则判定裂纹的扩展和方向。算例的计算结果表明了文中方法的合理性，且文中方法对于任意多裂纹扩展情况具有较好的适应性和可行性。

　　(3)在开挖卸荷和爆破冲击荷载的作用下，洞室周边岩体产生了分区破裂化现象，破坏形态主要为张拉型和剪切型，取决于其具体的应力状态，第一个洞径范围内破碎较为严重，之后呈现周期性，影响范围大约为四倍洞室直径。(

　　4)本文主要在传统数值流形的基础上进行改进的，传统的数值流形法没有考虑阻尼项的影响，故而本文在阻尼和边界反射方面没有专门讨论，但为今后相关工作指明了一个研究方向。

　　参考文献：

　　[1]魏进兵,邓建辉,王俤剀等.锦屏一级水电站地下厂房围岩变形与破坏特征分析[J].岩石力学与工程学报,2010,29(6):1198-1205.