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爆破荷载作用下板岩隧道围岩损伤分析与应用研究
| 论文题名： | 爆破荷载作用下板岩隧道围岩损伤分析与应用研究 |
| 关键词： | 板岩隧道;爆破荷载;围岩损伤;应力波传播;数值模拟 |
| 摘要： | 随着“西部大开发”、“脱贫攻坚”、“交通强国”等国家战略的实施，高速公路建设迅猛发展，钻爆法作为目前隧道施工的主要方法，具有经济高效的优点，但由于断层、层理等结构面对爆炸应力波的传播和衰减具有显著影响，隧道爆破时易产生超欠挖，隧道轮廓成型质量差，导致传统爆破参数设计无法满足断层严重、节理发育山区隧道的安全高效建造需求。合理的周边孔爆破参数设计是降低保留岩体损伤、减少超挖与取得良好光面爆破效果的有效方法，因此，迫切需要提出适用于层理隧道爆破施工的新方法。本文以贵州省雷山至榕江高速公路白竹山隧道为工程背景，通过现场钻芯取样，开展了静力学试验和冲击动力学试验，获取了板岩的力学参数，提出了层理作用下的周边孔孔距计算方法，优化了周边孔孔网布设与装药结构，借助ANSYS/LS-DYNA软件建立了不同层理倾角板岩隧道数值模型，分析了围岩损伤，并开展了现场爆破试验，验证了该方法的科学性。本文的主要研究内容如下： （1）基于损伤力学理论和岩石爆破能量分布理论，分析了应力波的传播与衰减规律、岩石损伤本构模型以及围岩损伤评价指标，探讨了周边孔爆破效果的影响因素与控制措施，推导了层理作用下的周边孔孔距计算表达式，计算了不同层理倾角板岩隧道的周边孔孔距。 （2）现场钻芯取样，开展了单轴压缩试验、三轴压缩试验以及巴西劈裂试验，得到了不同层理倾角板岩的力学参数；结合高速摄影仪开展了动态冲击压缩（SHPB）试验，分析了不同层理角度板岩在动态冲击荷载作用下的破坏形态及耗能原理规律，计算了不同层理倾角板岩的HJC本构模型参数，为数值模拟提供参数支撑。 （3）利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，建立了有层理和无层理隧道爆破模型，分析了层理对应力波传播的影响规律；建立了半径为R的单孔爆破模型，得出了与粉碎区、裂隙区、弹性区对应损伤变量D的取值范围；建立了不同层理倾角板岩隧道（0°、30°、45°、60°、90°）爆破数值模型，研究了不同层理倾角板岩隧道爆破保留岩体的损伤特征，优化了不同层理倾角板岩隧道的周边孔孔网布设与装药结构。 （4）在白竹山隧道研究段开展了现场爆破试验，利用全站仪测量了上台阶各部位的超欠挖情况，现场均为超挖，无欠挖情况，平均超挖厚度控制在20 cm以内，爆破效果较好；开展了声波损伤监测、爆破振动监测，结果表明：孔深超过3.5 m时，声波波速变化量在10%以内，不会对新生掌子面产生损伤，爆破振动最大振速为0.58 cm/s，满足衬砌振速安全允许标准。 |
| 作者： | 刘霞 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 陶铁军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 贵州大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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