爆炸波作用下岩石隧道动力响应的离散单元法模拟研究

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本论文针对爆炸波在节理岩体中的传播规律和爆炸波作用下岩石隧道的动力响应问题,采用能考虑节理岩体的离散单元法开展了较深入的研究工作。首先,采用UDEC模拟了节理岩体中波的传播。通过模拟计算结果、理论解和实验数据之间的对比,验证了UDEC模拟节理岩体中波传播的可行性,包括波垂直穿越单条节理、波垂直穿越一组节理、波倾斜穿越单条节理和波倾斜穿越多组节理。另外,通过参数模拟分析得出了节理法向刚度、切向刚度、无量纲节理间距、不同节理组间距比值、节理交叉角、节理组数等节理力学和几何参数和波的入射角对节理岩体中波的传播均有影响。但是,对于入射P波来说,节理法向刚度、无量纲节理间距、节理交叉角对波传播的影响比其他参数要大很多。同时,详细地分析了造成这种现象的力学原因,并探讨了该模拟研究的工程意义。其次,应用UDEC-AUTODYN组合方法模拟了在瑞士的Alvdalen进行的一个10吨TNT的大型地下洞室的非耦合爆炸实验。其中,AUTODYN模拟爆炸波的产生以及波与洞室洞壁的相互作用;UDEC模拟爆炸波在爆炸洞室围岩中的传播。由该UDEC-AUTODYN组合方法得到的洞室围岩中的不同位置的峰值质点速度与单一AUTODYN模拟结果、经验公式预测值、实验数据进行了比较。对比结果显示经验公式小于实验数据,单一AUTODYN模拟结果大于实验数据,而UDEC-AUTODYN组合方法模拟结果与实验数据较吻合。因此,UDEC-AUTODYN组合方法适合于模拟地下洞室的大型爆炸以及爆炸波在洞室围岩中的传播。第三,在前两者研究成果的基础上,采用UDEC-AUTODYN组合方法模拟研究了爆炸波作用下岩石隧道围岩的破坏特征。通过隧道围岩的扰动区(包括破坏区、裂开区和剪切区)和隧道洞壁峰值质点速度等指标来分析隧道围岩的破坏,其中,探讨了围岩中节理倾角、节理间距、节理刚度、初始地应力、爆炸波的振幅和锚杆支护对隧道围岩破坏的影响。研究结果显示围岩中节理倾角对隧道围岩的破坏有很大的影响;初始地应力对隧道的破坏程度影响较小;锚杆通过其变形吸收一定的爆炸波能量,从而降低了隧道围岩振动速度第一次峰值(即峰值质点速度,PPV)后的质点振动速度,极大地提高了隧道的稳定性。第四,通过几何转换发现三维空间平面波穿越单条或一组平行节理均可简化为二维状态,其转换关系可通过最大倾角来实现,并得到了其转换公式。这一成果为将特定三维波传播问题简化为二维计算提供了有效途径,大大节省了计算成本,提高了计算效率。同时,采用3DEC模拟了节理岩体中波的传播,包括波垂直穿越单条节理、波垂直穿越一组节理、波倾斜穿越单条节理、波倾斜穿越一组节理和波倾斜穿越多组节理,并引用了理论解和实验数据对模拟结果进行了有效性验证。最后,总结了本论文的主要研究成果,对后续研究进行了展望。
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