地冲击作用下岩石坑道震塌问题的理论和试验研究

地冲击荷载作用下坑道震塌荷载是坑道动荷载段衬砌的主要设计荷载之一，它由围岩的震塌块质量分布和震塌速度分布计算确定，其确定过程就是求解坑道围岩在地冲击荷载作用下的震塌破坏过程，该问题是防护工程和岩石动力学领域的热点研究问题之一。项目首先对地应力作用下围岩自由场中的地冲击传播规律进行研究，确定地应力作用对地冲击传播规律的影响；其次，对地冲击荷载作用下坑道围岩的破坏规律性进行研究，确定岩石坑道的破坏形态及相关的时间特征，分析不同条件（包括洞室形状、支护形式、地应力大小、围岩类型和地冲击荷载特征等）对坑道震塌破坏模式、震塌质量分布和速度分布的影响。项目采用理论研究、数值模拟和模型试验相结合的研究方法。项目实施对岩石坑道动荷载段震塌荷载确定、地应力条件下波传播规律性和岩石动力学问题的研究具有重要的参考价值，理论意义和工程应用价值很大。

项目主要讨论地下岩石坑道的爆炸震塌破坏问题，这是目前岩石动力学领域研究的热点问题之一，它涉及到介质复杂和材料破坏两大难题，项目从理论、试验和数值方法对该问题进行了研究，取得的主要成果如下：.第一、震塌试验研究表明：①地冲击荷载作用下，坑道的破坏按比例爆距（破坏程度）不同可以分为四个区。②震塌极限剥离厚度与覆盖层厚度和洞室跨度有密切的关系。③构件中钢筋的存在对接触爆炸成坑破坏和震塌破坏有着非常大的影响，许多情况下成坑和震塌都止于钢筋网面，这与单一介质的破坏有明显的不同。.第二、应用Tuler-Bucther累积损伤破坏准则，首次对有升压时间的三角形脉冲荷载作用下一维应变条件下的震塌破坏问题进行了解析分析。分析表明，考虑累积损伤破坏准则更符合介质的实际破坏情况。.第三、针对深埋地下结构的荷载环境特点，提出了深埋地下结构静动力耦合计算过程中边界条件的合理设置方法。该方法通过构建边界上的力系来平衡计算区域的初始地应力，然后将该力系设置成阶跃函数形式的动荷载作用于边界和后续的动荷载共同作用。研究表明，一次完整的地下结构静动力耦合分析过程，边界条件必须经过变换设置才能得到合理的计算结果。.第四、模型试验中消波格栅板设置方法不能作为无反射边界使用，因为格栅板无约束区域的节点的运动收到了约束。.第五、基于对破坏判据的分析认识，提出在数值模拟过程中容易忽略的两个问题，包括计算过程中单元的侵蚀问题和单元侵蚀后的内部接触问题。.第六、对于大跨度深埋地下洞室而言，开挖和支护方案对最终计算结果的位移影响要小一些。但对塑性应变状态影响很大。.第七、岩体中侧压力系数对坑道震塌破坏的影响规律是设计支护结构的前提条件。对不同侧压力系数的构造应力场岩石中坑道的震塌破坏效应进行了数值模拟，得到了侧压力系数变化时，结构的震塌破坏效应的变化情况，评估了构造应力场对地下结构震塌破坏的影响。.第八、对于与围岩紧密接触的坑道，利用准静法研究了弹塑性围岩与结构的相互作用问题，得到了计算坑道上荷载的准静法公式。