多爆源爆炸作用下锚固洞室的动态响应及损伤累积研究

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基于已有的洞室拱顶爆炸相似模型试验和理论研究,采用有限元软件对不同情况的多爆源爆炸作用下锚固洞室的动态响应和损伤累积效应展开研究,揭示了多爆源爆炸过程中洞室围岩的动态响应以及损伤累积规律,同时研究了多爆源爆炸作用下锚杆的动态响应。主要研究工作与成果如下:(1)基于相似模型试验,采用有限元软件对地下洞室在相同比例距离的拱顶、拱腰和直墙侧爆源七种组合情况中爆源同时爆炸作用下的动力响应及损伤进行了分析。研究了围岩应力波传播规律、裂纹形成机理,洞壁环向峰值应变、质点振动峰值速度(PPV)、位移分布特征以及围岩损伤演化过程。结果表明:应力波叠加处围岩的应力波强度、环向应变、峰值位移、PPV和损伤明显大于其他岩体;七种情况中洞室的环向峰值应变都是从拱顶的拉应变转变为拱脚的压应变;洞室围岩的损伤主要是由自由面反射产生的拉应力波以及拉应力波的叠加造成的;多爆源爆炸情况中洞室围岩的损伤并不是其相应单爆源情况中洞室围岩损伤的简单叠加。(2)基于相似模型试验,采用有限元软件和修正的Riedel–Hiermaier–Thoma(RHT)材料模型对洞室拱顶侧四个爆源相继爆炸作用下地下洞室动态响应及损伤累积开展研究。研究了四次爆炸过程中洞室围岩的应力波衰减特征和损伤累积演化规律,并对比分析了锚固和非锚固洞室的拱顶位移、洞壁应变及围岩累积损伤。结果表明:爆炸作用下洞壁环向应力从拱顶至直墙脚先受拉后受压;多次爆炸对围岩压碎区没有影响,但会使裂隙区的范围增加。(3)基于相似模型试验,采用通用有限元软件对比研究了洞室拱顶高水平的单次爆炸和低水平的循环爆炸作用下地下洞室围岩的应力波衰减、损伤累积规律及洞壁位移、环向峰值应变的分布特征。结果表明:循环爆炸中洞室围岩的应力波衰减速度随着爆炸次数的增加先减小后增加;爆炸荷载总水平相同时,低水平的循环爆炸中洞室围岩的损伤面积和程度比高水平的单次爆炸中的大;循环爆炸中围岩的损伤累积呈现出不可逆的逐级增加趋势,且和爆炸次数间呈非线性关系。(4)通过锚杆轴向应力演化过程以及锚杆长度方向的轴向峰值应力分布情况研究了锚杆的动态响应特性,得到了多爆源情况中锚杆的受力特征,为地下洞室抗爆设计提供了参考。结果表明:多爆源爆炸作用下的地下洞室迎爆侧锚杆先受压后受拉。锚杆的峰值轴向拉压应力从锚头到锚固端呈现出现先增加后减小的趋势。多爆源情况中,两爆源之间的锚杆的轴向应力要大于相应的单爆源情况。图90幅,表11个,参考文献123篇。
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