论文部分内容阅读
本文首先概述了岩爆研究的现状，然后以弹性动力学理论为基础，借助动态光弹性实验和有限元数值模拟手段，以探求岩爆的岩石动力学机理和相对应的岩爆控制方法为日的，取得了以下几个方面的成果：(1)分析了岩石静力学理论在岩爆研究中的具体应用，以及在解释若干岩爆现象和指导岩爆预测及控制上存在的局限性，指出探求岩爆灾害的岩石动力学机理的必要性和迫切性。(2)弹性动力学理论的分析表明，隧道爆破对当前炮次围岩的扰动主要以冲击波为主，在达到爆破破岩的同时，当前炮次围岩内也形成了大最损伤裂缝：对既有炮次围岩的扰动以弹性波为主，适合用经典的“Lamb点(或线)源问题”来分析，爆破产生的应力波中，对岩爆形成有突出贡献的是压缩P波和表面Rayleigh波，其致裂作用和传播规律是岩爆发生的重要因素之一。(3)利用Ansys有限元分析软件，研究了自重和爆破荷载共同作用下，隧道围岩的响应问题。静力分析结果表明：在自重应力场作用下，隧道轮廓面周围出现了明显的应力恶化现象，基本满足弹性解析，但仍远小于围岩的破坏强度，发生岩爆的可能性很小。动力分析结果表明：在爆炸应力波的扰动下，围岩应力和位移均发生了明显的波动，最大振幅是平衡状态下的数倍，可导致围岩受拉和剪切破坏，这与岩爆的微观破裂机制一致，应力集中最大处距离掌子面约1倍洞径，这很好满足了岩爆与爆破间的空间关系，强扰动带的深度约为1倍Rayleigh波波长，表明Rayleigh波对围岩扰动的控制性作用。(4)动态光弹性实验方面，Lamb线源问题的模拟实验表明：模型表面倾斜加载时，模型内传播了P波、S波和Rayleigh波，三种应力波相互作用，在模型中上部位形成较大应力集中；岩爆追踪现象(Lamb点源问题)的模拟实验表明：平行模型表面加载时，模型内仅传播了P波，说明岩爆事件本身对母岩的冲击扰动，主要以P波扰动为主；横向切槽的模拟实验表明：横向切槽对于Rayleigh波，可以实现大部分的拦截，对于P波，主要是延长了应力波的作用时间，减缓了爆破能量的传递。(5)综合弹性动力学理论的分析以及数值试验和动光弹实验的结果可知，P波和Rayleigh波的致裂作用和传播规律是岩爆发生的重要因素之一，一次或多次的动力扰动是岩爆发生的必要条件，而非简单的高地应力下的激发作用，完整的岩爆机理应该是“完整硬脆性岩体+较高地应力+(一次或多次)动力干扰”。