吳 亮， 施 明， 向曉銳， 陳 洋

(1. 水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410014；2. 武漢科技大學(xué)理學(xué)院 湖北省智能爆破工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430065；3. 云南省滇中引水工程建設(shè)管理局， 云南 昆明 650021)

0 引言

目前，我國(guó)西南山區(qū)高應(yīng)力條件下的地下洞室與隧道開(kāi)挖工程越來(lái)越多。然而，高應(yīng)力區(qū)巖體開(kāi)挖施工中圍巖松動(dòng)效應(yīng)愈來(lái)愈顯著，常會(huì)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)而引發(fā)工程事故。為減小高應(yīng)力區(qū)巖體開(kāi)挖的松動(dòng)效應(yīng)，保證洞室與隧道圍巖結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，需對(duì)引起巖體松動(dòng)的爆炸荷載與初始地應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸荷的作用機(jī)制進(jìn)行深入研究。

國(guó)外學(xué)者對(duì)地下工程巖體開(kāi)挖的松動(dòng)效應(yīng)問(wèn)題早已進(jìn)行了大量的研究。代表性的成果有Kesall等[1]研究的工程巖體卸荷松動(dòng)區(qū)的變形及其力學(xué)特征，以及Molinero等[2]提出的數(shù)值模型與計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)系統(tǒng)研究巖體開(kāi)挖松動(dòng)機(jī)制主要基于解決三峽永久船閘高邊坡工程問(wèn)題的需要，并逐步形成了較完善的理論與實(shí)踐體系。但以往研究成果多是在靜力學(xué)范疇下開(kāi)展的。隨著人們對(duì)工程問(wèn)題的深入認(rèn)識(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)高地應(yīng)力條件下節(jié)理巖體爆破開(kāi)挖的卸荷是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，并誘導(dǎo)巖體松動(dòng)。

早在20世紀(jì)70年代，Cook等[3]就發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖過(guò)程中巖體內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力有原巖應(yīng)力突然釋放的作用； 隨后Abuov等[4]、Carter等[5]對(duì)巖體應(yīng)力瞬態(tài)卸荷產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行了討論。近20年來(lái)，盧文波等[6-7]研究了巖體瞬態(tài)卸荷的動(dòng)力學(xué)理論機(jī)制及其效應(yīng)； 王明洋等[8]分析了巖體在擾動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)積分和等效動(dòng)能； 周小平等[9]研究了卸荷速率和巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)對(duì)深埋洞室圍巖分區(qū)破裂化現(xiàn)象的影響。目前的研究主要以完整均質(zhì)連續(xù)性介質(zhì)為主，針對(duì)節(jié)理巖體以及含宏觀缺陷巖體的研究雖然也得到了關(guān)注，但研究成果還不多。相關(guān)研究表明[10]： 原巖地應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸除過(guò)程使巖塊產(chǎn)生彈性回復(fù)、滑移和巖體弱面張開(kāi)。孫金山等[11]運(yùn)用UDEC離散元方法研究了地應(yīng)力瞬態(tài)調(diào)整過(guò)程中節(jié)理巖體圍巖的松動(dòng)過(guò)程，分析了地應(yīng)力卸荷和爆破對(duì)圓形隧道圍巖損傷的影響。羅憶等[12-13]采用混凝土試件進(jìn)行了試驗(yàn)，確定了初始應(yīng)力的瞬態(tài)卸荷引起的巖體結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，而準(zhǔn)靜態(tài)卸荷難以觀察到明顯的結(jié)構(gòu)面張開(kāi)現(xiàn)象。王晗等[14]采用Voronoi方法生成柱狀節(jié)理，通過(guò)設(shè)置不同地應(yīng)力水平的工況，研究了爆破開(kāi)挖過(guò)程中地應(yīng)力與爆炸作用下柱狀節(jié)理玄武巖的松動(dòng)機(jī)制。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于節(jié)理巖體爆破開(kāi)挖松動(dòng)特性的研究，大多是基于單一的荷載與圓形隧道結(jié)構(gòu)，忽略了節(jié)理巖體松動(dòng)效應(yīng)由爆破沖擊與地應(yīng)力卸荷共同作用的實(shí)際情況。另外，巖石塊體的側(cè)向約束作用也常被忽略。因此，本文結(jié)合水電站地下廠房的巖體卸荷松動(dòng)問(wèn)題，采用動(dòng)力松弛與顯示計(jì)算法，分析爆炸荷載與初始地應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸荷的耦合作用、側(cè)向約束以及地應(yīng)力水平等參數(shù)對(duì)塊體位移的影響。

1 高應(yīng)力區(qū)巖體爆破開(kāi)挖松動(dòng)機(jī)制

在水電站地下廠房、洞室高邊墻和高地應(yīng)力壩肩槽巖體的開(kāi)挖工程中，鉆孔爆破仍是這類高應(yīng)力區(qū)巖體工程開(kāi)挖的主要手段。在中、高地應(yīng)力條件下，節(jié)理巖體爆破開(kāi)挖過(guò)程中，炮孔內(nèi)藥包起爆后，爆炸荷載以壓縮波的形式向外傳播，在此過(guò)程中節(jié)理巖體快速擠壓蓄能； 當(dāng)應(yīng)力波在相鄰炮孔連線上形成微觀裂紋后，孔內(nèi)爆生氣體在裂紋的導(dǎo)向作用下促使裂紋快速擴(kuò)展，在相鄰炮孔迅速貫通后初始應(yīng)力瞬間釋放，開(kāi)挖面上的初始地應(yīng)力荷載瞬間卸除后會(huì)對(duì)節(jié)理巖體產(chǎn)生擾動(dòng)。該擾動(dòng)在巖體中以應(yīng)力波(卸荷波)的形式傳播，儲(chǔ)存在節(jié)理巖塊中的彈性勢(shì)能也會(huì)瞬間釋放，最終引起節(jié)理巖塊的松動(dòng)； 而儲(chǔ)存在巖塊中的彈性勢(shì)能主要是由爆炸荷載加壓蓄能和長(zhǎng)期存在的地應(yīng)力構(gòu)成； 因此，高應(yīng)力區(qū)節(jié)理巖體開(kāi)挖過(guò)程引起的松動(dòng)效應(yīng)受爆炸荷載和初始地應(yīng)力共同作用的影響。

2 數(shù)值模擬計(jì)算模型確定

2.1 工程背景

本文基于高地應(yīng)力區(qū)水電站廠房分層開(kāi)挖工程，通過(guò)動(dòng)力有限元軟件LS-DYNA模擬高地應(yīng)力區(qū)巖體爆破開(kāi)挖后節(jié)理巖體的松動(dòng)效應(yīng)，主廠房分層開(kāi)挖示意圖如圖1(a)所示。在地下廠房的施工設(shè)計(jì)中多采用分層開(kāi)挖，當(dāng)開(kāi)挖到底層時(shí)，由于地應(yīng)力重新分布，待開(kāi)挖巖體側(cè)向地應(yīng)力增加，一般采用先中間拉槽、再擴(kuò)挖。例如： 瀑布溝地下廠房鉆爆開(kāi)挖過(guò)程中的布孔方式如圖1(b)所示，爆破過(guò)程采用2#巖石炸藥，孔間距為2.1 m，排間距為2 m； 開(kāi)挖區(qū)域巖體采用分段延時(shí)爆破，排中2段延時(shí)，排間4段延時(shí)，整個(gè)爆破過(guò)程有8個(gè)階段，每階段雷管段數(shù)依次選取為MS1、MS3、MS5—MS15。在拉槽過(guò)程中爆破沖擊和地應(yīng)力的瞬態(tài)卸荷勢(shì)必引起節(jié)理巖體產(chǎn)生松動(dòng)，特別是在底板一次貫通開(kāi)挖中巖體卸荷效應(yīng)尤為突出，如圖2所示。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，選有保留巖體臺(tái)階的部位作為主要研究對(duì)象，即隧道與主廠房連通部位、底板蝸殼部位等。一是開(kāi)挖過(guò)程中這些部位地應(yīng)力更為顯著； 二是臺(tái)階巖體上部沒(méi)有約束，相比邊墻圍巖向外移動(dòng)的阻力要小。計(jì)算模型假定在爆破開(kāi)挖區(qū)前存在2組貫穿正交節(jié)理AB和BC，節(jié)理面上無(wú)黏結(jié)強(qiáng)度，考慮巖體自重和構(gòu)造應(yīng)力，如圖3所示。

(a) 主廠房分層開(kāi)挖示意圖

(b) 拉槽爆破設(shè)計(jì)圖

圖2 水電站地下廠房底板爆破區(qū)

Fig. 2 Floor blasting area of underground powerhouse of hydropower plant

圖3 分析模型示意圖

2.2 開(kāi)挖荷載確定

目前在爆破擾動(dòng)的數(shù)值計(jì)算中，爆破荷載的施加方法主要有4種： 1)利用LS-DYNA提供的炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程直接模擬炸藥的爆轟； 2)將理論計(jì)算的爆破荷載時(shí)程曲線直接施加在炮孔壁上； 3)根據(jù)圣維南原理，將炮孔壁上的爆破荷載等效施加在炮孔粉碎區(qū)的外邊界上； 4)將實(shí)測(cè)振速、加速度等時(shí)程曲線輸入到計(jì)算機(jī)程序，還原成爆破荷載作用在巖石上的壓力。

在直立邊墻模型下，在確定開(kāi)挖區(qū)域后，本文采用第3種施加方法將爆破荷載等效施加在開(kāi)挖面上。依據(jù)文獻(xiàn)[7,15]，將理論分析的爆炸荷載時(shí)程曲線繪制成如圖4所示的曲線，在此基礎(chǔ)上，將理論的荷載曲線簡(jiǎn)化成三角形荷載，如圖5所示。采用簡(jiǎn)化后的三角形爆破荷載進(jìn)行有限元計(jì)算只需確定爆破荷載峰值p0、爆炸荷載上升時(shí)間tr和爆炸荷載持續(xù)時(shí)間td。由于簡(jiǎn)化后的荷載基本信息都得到保留，計(jì)算精度能滿足工程需要。

圖4 爆炸荷載與地應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸荷曲線

圖5 爆炸荷載與地應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸荷簡(jiǎn)化曲線

Fig. 5 Simplified dynamic unloading curve of blasting load and in-situ stress

爆破開(kāi)挖采用2#巖石乳化炸藥，孔深5 m，堵塞1 m，孔排間距為1 m×1 m，孔徑76 mm，炸藥直徑60 mm。根據(jù)文獻(xiàn)[16]可計(jì)算出炮孔受到爆破荷載峰值p0=392.2 MPa，再將爆破荷載通過(guò)第3種方法等效施加在開(kāi)挖邊界上。施加等效爆破荷載計(jì)算公式為

pe=(2r/a)p0

(1)

式中：pe為等效爆破荷載峰值；r為炮孔半徑；a為孔間距。

通過(guò)式(1)可以計(jì)算出本算例的等效爆破荷載峰值pe=60 MPa，據(jù)相關(guān)研究成果，取爆炸荷載上升時(shí)間tr=1 ms，爆炸荷載持續(xù)時(shí)間td=10 ms。

根據(jù)大量研究發(fā)現(xiàn)，高應(yīng)力區(qū)巖體爆破開(kāi)挖時(shí)，根據(jù)炮孔及周邊巖石裂縫面上的應(yīng)力狀態(tài)，只有在裂縫完全貫通、爆生氣體逸出、炮孔內(nèi)爆炸荷載衰減至開(kāi)挖面上的地應(yīng)力大小相等時(shí)，巖體在宏觀上才開(kāi)始體現(xiàn)出卸荷效應(yīng)[17]。根據(jù)開(kāi)挖面上的應(yīng)力連續(xù)條件，地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷歷程與宏觀卸荷開(kāi)始后的爆炸荷載歷程曲線重合，如圖4所示，由此可得地應(yīng)力卸荷持續(xù)時(shí)間

tdu=td-tb

(2)

式中tb為地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷開(kāi)始時(shí)間。

2.3 計(jì)算模型

數(shù)值模型需考慮構(gòu)造應(yīng)力和巖體自重。在高應(yīng)力區(qū)節(jié)理巖體開(kāi)挖工程中，巖體除了受到開(kāi)挖面方向上的水平地應(yīng)力作用外，還會(huì)受到側(cè)向地應(yīng)力的作用。針對(duì)有無(wú)側(cè)向地應(yīng)力作用，本文提出了2種數(shù)值計(jì)算模型。

圖6示出無(wú)側(cè)向地應(yīng)力的數(shù)值模型，模型的總體尺寸為30 m×5 m×20 m，開(kāi)挖后形成2級(jí)臺(tái)階，拉槽寬度為8.0 m，y的正方向?yàn)槔坶_(kāi)挖方向；上層臺(tái)階高度為3.0 m，下層待挖形成的臺(tái)階高度為5.0 m，底部基礎(chǔ)高度為12.0 m，假設(shè)下層臺(tái)階中有1個(gè)塊體，其尺寸為5 m×5 m×7 m。

圖6 無(wú)側(cè)向地應(yīng)力數(shù)值模型(單位： m)

圖7示出有側(cè)向地應(yīng)力的數(shù)值模型，該模型在無(wú)側(cè)向地應(yīng)力模型的基礎(chǔ)上左右擴(kuò)充10 m。網(wǎng)格劃分最小尺寸為0.5 m，模型四周邊界設(shè)置為無(wú)反射邊界。在數(shù)值模型中，巖石采用線彈性材料，彈性模量E=50 GPa，巖石密度為ρ=2 700 kg/m3，泊松比μ=0.2。節(jié)理巖體和母巖之間的接觸采用LS-DYNA軟件中自動(dòng)面面接觸，節(jié)理巖塊與母巖的接觸動(dòng)摩擦因數(shù)f=1.0，節(jié)理面黏聚力和抗拉強(qiáng)度都取為0。

圖7 有側(cè)向地應(yīng)力數(shù)值模型(單位： m)

2.4 求解方法

眾所周知，地下工程巖體開(kāi)挖前受自重與地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的影響。因此，采用動(dòng)力有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行高應(yīng)力區(qū)巖體爆破開(kāi)挖計(jì)算時(shí)，應(yīng)先對(duì)巖體的靜應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行求解，再基于初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)爆破開(kāi)挖的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行求解。由于LS-DYNA以顯示分析為主，尚不能在顯式求解器下直接再進(jìn)行靜力計(jì)算，但ANSYS給出了2種求解靜、動(dòng)力多荷載共同作用問(wèn)題的解決方案。1)應(yīng)用ANSYS隱式求解器求解靜載問(wèn)題后，再按照隱式-顯式的順序進(jìn)行求解，但對(duì)于非線性問(wèn)題該方法會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。2)運(yùn)用LS-DYNA動(dòng)力松弛求解功能進(jìn)行應(yīng)力初始化，再進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算；該方法能解決非線性問(wèn)題，但計(jì)算成本會(huì)增加。

由于本文研究?jī)?nèi)容是高應(yīng)力區(qū)節(jié)理巖體的動(dòng)靜疊加問(wèn)題，涉及到非線性問(wèn)題的求解，因此，在靜力求解部分采用動(dòng)力松弛方法求解來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算要求。

3 節(jié)理巖體松動(dòng)計(jì)算

3.1 模型參數(shù)驗(yàn)證

工程監(jiān)測(cè)資料與研究表明，在高應(yīng)力區(qū)巖體爆破開(kāi)挖卸荷后，節(jié)理巖體除了會(huì)產(chǎn)生彈性回復(fù)位移(應(yīng)變位移)外，還會(huì)產(chǎn)生剛體位移(節(jié)理張開(kāi)位移)，且以剛體位移為主[17-18]。因此，在分析高應(yīng)力區(qū)節(jié)理巖體開(kāi)挖過(guò)程中的松動(dòng)情況時(shí)，可以以節(jié)理張開(kāi)位移為主要考察量。

在不考慮卸除荷載作用時(shí)間條件下，地應(yīng)力卸荷過(guò)程引起的節(jié)理張開(kāi)位移可以通過(guò)能量守恒方法求得?？紤]摩擦力和巖體自重作用，節(jié)理巖體ABCD初始儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能在動(dòng)態(tài)卸荷后，一部分轉(zhuǎn)化為節(jié)理巖體的動(dòng)能驅(qū)使節(jié)理巖塊運(yùn)動(dòng)，一部分用于克服摩擦力做功，直至節(jié)理巖塊停止運(yùn)動(dòng)，該能量全部轉(zhuǎn)換為摩擦力所做的功。由此，節(jié)理巖體的剛體位移可近似計(jì)算為:

(3)

式中：Δ為節(jié)理巖體的剛體位移；σh為初始地應(yīng)力；l為節(jié)理巖塊在卸荷方向上的長(zhǎng)度。

根據(jù)式(3)可以計(jì)算出節(jié)理巖體卸荷后的理論位移值，從而驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算的合理性。在數(shù)值模擬過(guò)程中將卸荷時(shí)間取很短(10-9s)，近似認(rèn)為是瞬間卸荷。在瞬間卸荷條件下，取初始應(yīng)力分別為10、20、30、40、50 MPa，初始應(yīng)力卸荷后節(jié)理位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出數(shù)值模擬結(jié)果和理論結(jié)果吻合，說(shuō)明本文采用的模型及其計(jì)算參數(shù)滿足工程問(wèn)題的精度分析要求。

表1瞬態(tài)卸荷節(jié)理張開(kāi)位移計(jì)算結(jié)果

Table1 Calculation results of opening displacement of joint under transient unloading

初始應(yīng)力水平/MPa節(jié)理張開(kāi)位移/mm模擬值理論計(jì)算值[10]1041.936.320151.2146.730341.7331.240612.1589.850930.7922.4

3.2 無(wú)側(cè)向地應(yīng)力數(shù)值計(jì)算

為分析不同荷載對(duì)高應(yīng)力區(qū)節(jié)理巖體爆破開(kāi)挖的松動(dòng)影響，將荷載進(jìn)行分離與耦合處理： 1)由爆破沖擊荷載引起的節(jié)理松動(dòng)； 2)由地應(yīng)力的動(dòng)態(tài)卸荷引起的節(jié)理松動(dòng)； 3)由爆破沖擊荷載和地應(yīng)力耦合作用引起的節(jié)理松動(dòng)。在研究爆破荷載引起的節(jié)理松動(dòng)時(shí)不考慮地應(yīng)力，簡(jiǎn)稱爆破作用； 在研究地應(yīng)力的動(dòng)態(tài)卸荷引起的節(jié)理松動(dòng)時(shí)不考慮爆破沖擊荷載，簡(jiǎn)稱直接卸荷，開(kāi)挖后地應(yīng)力的卸荷時(shí)間按照式(2)計(jì)算； 在研究爆破沖擊荷載和地應(yīng)力耦合作用引起的節(jié)理松動(dòng)時(shí)，既要考慮爆破荷載也要考慮地應(yīng)力作用，二者疊加作用在開(kāi)挖面上，簡(jiǎn)稱耦合作用，耦合作用下引起節(jié)理的松動(dòng)位移即是高應(yīng)力區(qū)巖體爆破開(kāi)挖后的實(shí)際松動(dòng)位移。

在無(wú)側(cè)向地應(yīng)力作用下采用如圖6所示的計(jì)算模型，計(jì)算過(guò)程中荷載作用在節(jié)理巖塊的外邊界上(圖6中面1)，在直接卸荷和耦合作用中，分別取初始水平地應(yīng)力為5、10、15、20 MPa，與之對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力卸荷時(shí)間分別為0.75、1.5、2.25、3 ms。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到爆破作用、直接卸荷和耦合作用條件下節(jié)理巖塊位移時(shí)程曲線，如圖8所示。

(a) 初始水平地應(yīng)力5 MPa

(b) 初始水平地應(yīng)力10 MPa

(c) 初始水平地應(yīng)力15 MPa

(d) 初始水平地應(yīng)力20 MPa

圖8無(wú)側(cè)向地應(yīng)力下爆破作用、直接卸荷和耦合作用節(jié)理巖塊位移時(shí)程曲線

Fig. 8 Displacement curves of jointed rock mass under blasting, direct unloading and coupling action without lateral pressure

在無(wú)側(cè)向地應(yīng)力條件下，對(duì)比分析爆破作用、直接卸荷和耦合作用對(duì)節(jié)理巖體開(kāi)挖后松動(dòng)位移的影響，發(fā)現(xiàn)節(jié)理巖體爆破開(kāi)挖后，其產(chǎn)生的張開(kāi)位移主要由爆破作用產(chǎn)生的能量提供；隨著水平地應(yīng)力的增加，巖體初始儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能隨之增加，直接卸荷節(jié)理巖塊產(chǎn)生的位移也越來(lái)越大，在耦合荷載作用下的節(jié)理松動(dòng)位移也隨之增加；另外，耦合荷載作用下巖塊產(chǎn)生的位移并非爆破作用與直接卸荷的線性疊加，而呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，隨著地應(yīng)力水平的增加，耦合荷載作用對(duì)巖塊位移有增大效應(yīng)。

3.3 有側(cè)向地應(yīng)力數(shù)值計(jì)算

在有側(cè)向地應(yīng)力作用下采用如圖7所示的計(jì)算模型，計(jì)算過(guò)程中水平地應(yīng)力作用在面1上，動(dòng)態(tài)荷載作用在開(kāi)挖區(qū)節(jié)理巖塊的外邊界上(x方向)，側(cè)向地應(yīng)力同時(shí)施加在面2和面3上(y方向)。為研究側(cè)向地應(yīng)力對(duì)節(jié)理巖體爆破開(kāi)挖后松動(dòng)位移產(chǎn)生的影響，將依次計(jì)算側(cè)向地應(yīng)力為0、5、10、15、20 MPa 5種不同的工況，其中水平地應(yīng)力取20 MPa，開(kāi)挖后地應(yīng)力卸荷時(shí)間為3 ms。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到爆破作用、直接卸荷和耦合作用條件下節(jié)理巖塊位移時(shí)程曲線如圖9所示。

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在側(cè)向地應(yīng)力為0 MPa時(shí)，對(duì)比圖8(d)和圖9(a)，兩者區(qū)別在于節(jié)理巖塊側(cè)向有無(wú)摩擦，計(jì)算結(jié)果表明： 側(cè)向摩擦對(duì)高應(yīng)力區(qū)節(jié)理巖體的動(dòng)態(tài)卸荷松動(dòng)有著很大的抑制作用；由于水平地應(yīng)力施加在節(jié)理巖塊外邊界上后，節(jié)理巖塊側(cè)向膨脹，在側(cè)向摩擦作用下，耦合作用后節(jié)理張開(kāi)位移比爆破作用小。隨著側(cè)向應(yīng)力的增加，節(jié)理巖塊的側(cè)向擠壓力越來(lái)越大，開(kāi)挖后節(jié)理巖塊的張開(kāi)位移隨之減小。在有側(cè)向約束的計(jì)算模型中，作用在節(jié)理巖塊上的爆炸能量不僅僅是朝著荷載施加方向傳遞，受節(jié)理巖塊與母巖之間的剪切作用影響，該能量還會(huì)向節(jié)理巖塊兩側(cè)傳遞，即引起巖塊松動(dòng)的爆炸能量只是總爆炸能量的一部分。根據(jù)文獻(xiàn)[19]研究： 隨著地應(yīng)力增加，節(jié)理巖體中節(jié)理對(duì)應(yīng)力波的衰減作用減弱。因此，透射進(jìn)入母巖的爆炸能量增多也會(huì)減小節(jié)理巖塊的位移。另外，節(jié)理巖塊與母巖之間的側(cè)向摩擦進(jìn)一步抑制了節(jié)理巖塊的松動(dòng)。計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明： 高應(yīng)力區(qū)巖體爆破開(kāi)挖中，隨著側(cè)向應(yīng)力水平的增加，節(jié)理松動(dòng)位移主要由初始地應(yīng)力儲(chǔ)存的能量提供。

(a) 側(cè)向地應(yīng)力0 MPa

(b) 側(cè)向地應(yīng)力5 MPa

(c) 側(cè)向地應(yīng)力10 MPa

(d) 側(cè)向地應(yīng)力15 MPa

(e) 側(cè)向地應(yīng)力20 MPa

圖9有側(cè)向地應(yīng)力下爆破作用、直接卸荷和耦合作用節(jié)理巖塊位移時(shí)程曲線

Fig. 9 Displacement curves of jointed rock mass under blasting, direct unloading and coupling action with lateral pressure

4 結(jié)論與展望

本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法研究了地下廠房臺(tái)階處巖體在爆破卸荷過(guò)程中的松動(dòng)特征，分析了不同動(dòng)荷載、側(cè)向約束以及地應(yīng)力水平等參數(shù)對(duì)塊體位移的影響，得到以下結(jié)論：

1)本文計(jì)算模型的結(jié)果與簡(jiǎn)單的瞬態(tài)卸荷理論結(jié)果對(duì)比表明，數(shù)值模擬和理論結(jié)果吻合，說(shuō)明本文采用的模型及其計(jì)算參數(shù)能滿足工程問(wèn)題精度分析要求，即計(jì)算模型采用動(dòng)力松弛法處理靜力場(chǎng)，后續(xù)動(dòng)力擾動(dòng)荷載采用顯示計(jì)算方法的模式是合理的。這為進(jìn)一步探討復(fù)雜邊界條件以及荷載條件下的預(yù)應(yīng)力巖體爆破卸荷松弛的問(wèn)題提供了分析途徑。

2)在無(wú)側(cè)向地應(yīng)力條件下，高應(yīng)力區(qū)節(jié)理巖體爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的張開(kāi)位移主要由爆破作用產(chǎn)生的能量提供；隨著卸荷方向地應(yīng)力水平的增加，由地應(yīng)力卸荷產(chǎn)生的松動(dòng)位移與巖體初始儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能成正比；另外，耦合荷載作用下巖塊產(chǎn)生的位移并非爆破沖擊作用與地應(yīng)力直接卸荷的線性疊加，而是呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，且隨著地應(yīng)力水平的增加，耦合荷載作用對(duì)巖塊松動(dòng)位移有增大效應(yīng)。

3)在有側(cè)向地應(yīng)力條件下，高應(yīng)力區(qū)巖體爆破開(kāi)挖松動(dòng)受側(cè)向母巖的摩擦與吸收爆炸能量作用的影響，其松動(dòng)位移顯著減小。隨著側(cè)向應(yīng)力水平的增加，節(jié)理松動(dòng)位移主要由初始地應(yīng)力儲(chǔ)存的能量提供，即原巖應(yīng)力卸荷產(chǎn)生的松動(dòng)大于爆破沖擊引起的松動(dòng)。

本文雖然在高應(yīng)力區(qū)節(jié)理巖體爆破開(kāi)挖松動(dòng)特性方面取得了一定的進(jìn)展，但是研究主要基于硬性接觸的節(jié)理面，下一步將考慮節(jié)理面的黏聚力和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行更深入研究。