加锚层状洞室围岩中爆炸扰动效应的作用机制研究

Blasting vibration often results in safety accidents of underground cavern, as is related not only to single parameters of blasting vibration intensity, but aslo to the frequency and duration of explosion seismic waves. And anchor has an influence on explosion disturbance effect in the surrounding rock of a cavern, especially on jointed surrounding rocks. Therefore, using theoretical analysis, laboratory experiment, numerical simulation and modern signal processing technology, the explosion disturbance effect and anchorage effect in the laminated joint surrounding rock of the anchored cavern are studied. Above of all, according to the model similar theory, four different indoor geo-mechanical cavern models (the first is made by intact rock mass, the second is made by intact rock mass with anchors, the third is made by horizontal layered rock mass and the fourth is made by horizontal layered rock mass with anchors ). Based on the stress wave theory and adopting the modern signal processing technology, the influence of anchor on reflection effect and decay laws when the stress wave across the joint structure surface is explored, the interaction among anchor, anchor medium and the rock hole wall and the failure mechanism of anchor are revealed. On the basis of response spectrum theory, the relationship among single parameters of blasting vibration intensity, the frequency and duration of explosion is established. Secondly, the numerical models of layered rock mass cavern and anchored cavern are built to analyze their dynamic response under blast loading, furtherly action mechanism of explosion disturbance effect in the laminated joint surrounding rock of the anchored cavern is elucidated, and the difference of the mechanism is explored whether the anchors are applied

爆破震动时常引起地下洞室安全事故的发生，洞室的破坏不仅和爆破震动强度单参数有关，同时与爆破震动频率和持续时间有较大的关系，而锚杆会对洞室围岩中的爆炸扰动效应产生影响，对节理围岩的影响尤为明显。因此，本项目拟采用理论分析、室内试验、数值模拟、现代信号处理技术等相结合的方法研究加锚层状洞室围岩中的爆炸扰动效应及锚固效果。首先，依据模型相似理论，制作完整和水平层状毛洞与加锚洞室室内地质力学模型；基于应力波并采用现代信号处理技术，探讨锚杆对应力波通过节理结构面时的透反射效应和衰减规律的影响，揭示锚杆、锚固介质、岩孔壁三者间的相互作用及锚杆失效机理；基于反射谱理论，建立爆破震动强度单参数、频率和持续时间之间的关系；其次，建立数值模型进行变倾角层状毛洞与加锚洞室在爆炸荷载作用下的动力响应分析，阐明加锚层状洞室围岩中的爆炸扰动作用机制，并探讨是否加锚情况下该作用机制的差异。

围绕本项目，采用理论分析、模型试验、数值模拟、信号处理等方法，开展了三个方面的研究：（1）加锚层状洞室围岩中的爆炸扰动效应及锚固效果；（2）不同锚固质量锚杆的瞬态动力响应研究；（3）冲击荷载作用下节理岩体的动态力学特性。.首先，以湖南省某铅锌矿山层状岩体参数为原岩物理力学参数，基于相似理论，考虑材料性质相似、几何相似等条件，制作了完整和节理岩体的地质力学模型。爆破开挖前，在瞬态冲击荷载作用下，开展了在节理岩体中应力波传播与衰减规律的研究，得出穿过节理后的时程信号的峰值不是在刚起跳时达到最大，而是在起跳后的一段时间先后达到最大；得出应力波穿过节理前后，主频率逐渐向低频方向偏移，高频成分逐渐被吸收，主频和频域内最大振幅逐渐减小，二者均呈非线性降低趋势。在小扰动荷载作用下，不同部位的锚杆应变峰值均在锚杆的中间点附近，尾部次之，端部最小。爆破荷载作用下，当应力波垂直入射节理面时，在横向衰减不明显，在垂直方向和纵向上的衰减很明显并且幅度较大；当应力波斜入射节理时，横向和垂直方向没有明显的衰减，纵向的衰减很明显并且幅度较大；应力波的传播与装药结构有着重要的关系。.其次，制作了不同锚固质量的锚杆，在加载条件和非加载条件下对其进行无损检测。多点布测下，对锚固缺陷诊断进行了小波多尺度分析，得出多点布测的方式能准确确定波速的大小；锚杆底端的反射时间可在低频信号中反应的原因是低频信号反应大缺陷，而高频信号反应的是细部缺陷。基于一维波动理论，考虑动静态阻尼的影响，建立了锚杆受瞬态激振时的物理模型，在不同约束条件下，得出其位移、速度、加速度场的解析解，得出荷载与锚杆基频之间呈二次幂函数关系。基于应力波理论，得出应力波在锚杆体和砂浆中传播的同步性不仅和龄期有关，还和锚固长度有关，而且随着龄期的增加协调所需锚固长度减小。.再次，针对各类岩体工程的动力失稳破坏及力学特性，制作了不同几何特征节理岩体试件。相同冲击高度下，冲击过程中峰值荷载降低，冲击加载速率下降；落锤冲击后存在一定的残余速度，并且随着节理组数的增加，冲击后落锤的残余速度增大，落锤对试件做功减少。不同冲击高度下，节理的存在降低了岩体所能承受的冲击力峰值，增加了其动态压缩位移，岩体节理倾角越小其动态压缩位移越大；下落高度越大冲击荷载峰值增大，试件弹性模量随着损伤的增加逐渐降低；冲击荷载较小时，含节理试件的竖向位移主要来自是张开节理的闭合。