循环爆破荷载作用下隧洞围岩损伤演化机理研究

The strength of rock mass will exhibit deterioration under the loading of periodic circulating blast, with memorability and hysteresis in deformation. It is a key issue to study the accumulative damage of rock mass as well as life evaluation of tunnel surrounding rock under the loading of periodic circulating blast, which plays a critical role in the geotechnical engineering such as national defence construction, energy exploration and deep space utilization. This project aims to investigate the propagation law of stress wave and rock mass strength under circulating blast, with a hybrid method of rock sample test, material-like model test in laboratory, in-situ monitoring and numerical simulation. Meantime, the principle of energy storage and characterization of dynamic mechanics will be studied. Then a constitutive model for characterizing the damage evolution of rock mass in such conditions will be proposed and validated. Finally, the mode of damage evolution of surrounding rock mass will be analyzed in light of two practical engineering cases under circulating blast loading condition, particularly emphasizing spatial analysis of damage evolution of rock mass. The relationship between spatial distribution of damage and variation of strain energy in sourrounding rock mass will be illustrated. A controlling threshold of blasting vibration effect will be identified. This research is expected to provide a meaningful theoretical insight into the security of underground rock mass under dynamic loading of circulating blast.

岩体在周期性循环爆破动载作用下的强度表现出劣化性，变形则表现为记忆性、滞后性。开展循环爆破载荷作用下，裂隙岩体损伤积累特征、以及考虑损伤积累的隧洞围岩服役寿命评测研究，是我国深部国防、能源和深层空间开发利用工程建设中的重要科学问题。本项目拟采用室内岩样试验、相似材料模型试验、现场监测分析与数值计算相结合的方法，着重开展：爆破应力波在裂隙岩体中的传播规律及循环爆破动荷载的作用强度研究；爆破动载作用下岩体的储能机制及动态力学特性分析；循环爆破动载作用下岩体损伤演化本构模型的开发及模型验证；最终依托于工程实例，进行隧洞围岩在循环爆破动载作用下的损伤演化模式，特别是隧洞围岩损伤积累三维空间分析，界定不同循环动载（不同动载强度与频度）岩体中破裂体的空间分布特征与应变能变化之间的关系，提出隧洞围岩体循环爆破震动效应的控制阈值，为周期性爆破动荷载作用下地下工程岩体的安全性保障提供参考理论依据。

伴随我国对深部地下工程的重视，深部隧道及深部高应力条件下水利水电工程建设快速发展，爆破作为深部地下岩体开挖的重要手段之一，围岩在循环爆破作用下其力学性能不断劣化，损伤持续累积诱发围岩失稳，致使出现隧洞坍塌现象，威胁工程人员的安全。研究在循环爆破作用下隧洞围岩岩体的渐进性破坏，对于揭示岩体破坏机理、力学性质劣化及后期支护结构设计具有重要的指导意义。.1，根据锦屏一级水电站引水隧洞实际工程，按照一定的相似比设计出隧洞模型，确定出满足围岩力学性能、物理特性的相似材料，结合岩石破坏准则分析围岩在循环爆破荷载作用下的累计损伤度。并结合不同围压、循环爆破次数和爆破方式对围岩造成损伤情况进行研究，得到了两者共同作用下的拟合曲线。.2，以爆破作用下岩体破坏的基本理论为基础，探讨炸药随时间变化历程及岩体的渐进性破坏，确定了围岩损伤破坏的变量D。.3，借助常用围岩分类法 BQ法与 RMR法，将围岩分成5类，并各自建立与初始损伤变量D0之间的对应关系，及初始损伤的范围值和岩体坚度程度。.4，借助广义胡克定律对脆性岩体材料的本构关系进行完善；借助LS-DYNA数值模拟对循环爆破动荷载作用下围岩损伤性破坏做出相应的探讨与研究，对进一步探究岩体累积损伤破坏和现场围岩支护具有一定的理论指导意义，对实现隧洞爆破施工技术创新提供一定参考。