考虑节理岩体爆破损伤效应的岩质基坑微型钢管桩动力响应研究
作者单位：青岛理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：张拥军
授予年度：2023年
学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程]
摘 要：爆破是在城市基坑工程开挖中被广泛使用的高效快速的岩体开挖方法。然而,在岩质基坑爆破开挖过程中,爆破对基坑支护结构的扰动损伤问题一直是爆破工程领域的一个热门议题。爆破所产生的应力波对微型钢管桩的动力响应尤为重要,不当的支护会对基坑的稳定产生负面影响。此外,天然岩体通常都包含节理,不同的节理空间组合和分布也会影响岩体的爆破损伤效果。因此,进一步考虑节理岩体爆破损伤效应的微型钢管桩作用机制研究尤为重要。为了研究岩体中的节理对爆炸应力波的传播以及节理岩体局部化损伤演化的影响,通过有限元数值方法建立RHT本构模型,探索岩体裂纹扩展的力学行为和节理周围应力场的分布。本文以青岛齐鲁医院二期项目基坑工程为背景,采用实地数据采集与数值模拟分析相结合的方法,通过对基坑爆破开挖引起岩体损伤变形的力学机理进行分析,研究岩质基坑在开挖过程中的动力效应,包括节理岩体的局部化损伤特征、桩岩组合下基坑损伤演化规律以及微型钢管桩的动力响应。主要结论与成果如下:(1)基于RHT岩体损伤本构模型,分析在不同节理组合和爆孔间距下对岩石的裂纹损伤效果。节理的空间排列组合方式以及爆孔间距会影响岩体的破坏损伤路径,其中包括环形裂纹扩展、微裂纹的产生、节理翼端裂纹延伸过程;以节理端部为测点,揭示了节理空间组合下爆破对于节理端部动力响应的一般规律:随着爆炸距离L的增加,节理翼端的位移、速度、加速度和最大应力呈现逆S型衰减,这种衰减可以通过Logistic函数很好地描述。岩石的总能量与L的大小无关,而动能则会先增加后减小;当节理A的角度增大时,翼端的位移、速度和加速度会呈现台阶式下降;而随着爆孔与节理A之间距离的变大,位移、速度和加速度则会呈非线性上升。(2)基于双节理单孔爆破条件下,分析了爆炸荷载作用下的典型破坏特征,包括主裂纹和破碎区、环形裂纹区和短径向裂纹、以及翼端裂纹、主裂纹和次裂纹。在炸药与节理的作用下,主裂纹的扩展方向和数量会发生变化。主裂纹在冲击前节理后,会根据前节理的倾角向侵彻方向偏转。虽然大部分能量被前节理吸收或反射,但仍有一部分应力波到达后节理,造成二次裂纹。此外,由于节理末端剪应力的作用,沿爆破孔和尖端方向传播的翼裂纹将从节理尖端开始。这些结论基于数值模拟结果,并经过验证,因此可以作为分析花岗岩在爆炸荷载下的破坏过程的重要参考。(3)探究基坑变形与桩、炸药、节理等主要影响因素的关联性以及桩锚支护在爆破开挖下的支护机理,选取了桩的弹性模量、炸药用量以及节理角度三因素进行研究。通过改变参数,进行坡顶位移沉降、最大切应力、最大主应力、基坑底部位移沉降以及动力损伤特征对比分析。弹性模量变化对基坑沉降位移影响较大,增加桩的弹性模量主要是为了减小桩的变形,进一步提高基坑壁的稳定性。增大炸药用量对于岩体进行二次破坏产生更多微裂纹、环形裂纹,在允许范围内,适当的增加炸药用量,会起到很好的爆破效果。当节理角度为45°时,会出现一个峰值为0.08m/s,是其他算例峰值的2倍多,该种情况下桩顶部的扰动更显著。此种算例下节理左侧岩石的塑性应变发生大幅增加。(4)依据现场实测数据,建立含节理夹层岩质基坑单孔爆破开挖模型,分析基坑四次开挖阶段下爆破产生的应力云图以及岩石的最终损伤。对比探究不同阶段下基坑有无节理夹层时,爆破作用对微型钢管桩的动力响应。模拟结果表明:当基坑存在节理夹层时,爆破对于一级的应力扰动增大。在进行爆破作业时,第一级桩的顶部振动速度响应随着开挖深度的加深而逐渐凸显,振速变化的幅度明显增大。相比之下,桩中(7.6 m)以及桩底(15.2 m)的振速变化越来越平缓,增幅明显减弱;当基坑中存在节理夹层时,爆破区域以及微裂纹的扩展会受其影响,爆轰损伤比例会降低。裂纹延伸到节理夹层时,大部分的能量会沿着夹层面的方向进行破坏,另外部分剩余能量会穿过夹层从而对夹层左侧岩体产生损伤。
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