岩石爆破破碎中的动态卸荷效应
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爆破工程4第五章---岩石中的爆破作用原理
作用在岩壁上，在岩体中各点的主应力 和 的1
作用方2向如图5—8所示，该应力分布状态与图5—7
中的应力分布状态极为相似。
第四节 单个药包的爆破作用 一、单个集中药包的爆破作用
（一）爆破的内部作用
当药包在岩体中的埋置深度很大，其爆破 作用达不到自由面，即在无限介质中的爆 破，这种情况下的爆破作用叫做爆破的内 部作用 。
第五章 岩石中的爆破作用原理 第一节 岩石破碎机理的几种观点
炸药在岩石中爆破时所释出的能量只有少部 分用于破碎岩石，而大部分能量都消耗在产 生空气冲击波、地震波、噪声和飞石等有害 效应方面，炸药在岩石中爆破时它的能量利 用率很低（有人认为只有15~20%），大部分 能量都白白浪费掉了。
迄今为止，人们对岩石的爆破作用过程仍然 了解得不透彻，不同而形成三种假说 。
二、应力波反射拉伸破坏论
这派观点从爆轰的动力学观点出发。认为药 包爆破时，强大的冲击波冲击和压缩周围的 岩石，在岩石中激发成强烈的压缩应力波。 当这种应力波传到自由面时，从自由面反射 而成拉伸应力波，当这种波的强度超过岩石 的极限抗拉强度时，从自由面开始向爆源方 向产生拉伸片裂破坏作用。这派观点完全否 认了爆轰气体膨胀的推力作用。
2.在冲击载荷作用下，在承载体中诱发出的应力 是局部性的，在承载体内部产生了明显的应力不 均匀性。
3.在冲击载荷作用下，承载体的反应是动态的。
二、应力波
物体若受到爆炸或其他冲击载荷作用时，在 物体的内部就会产生过渡性的扰动现象，这 种现象叫做波动。
物体内的应力是以波动方式传播的，这种波 动方式的应力叫做应力波，对爆破来说这种 应力波是由爆炸冲击加载产生的，所以叫做 爆炸应力波。
1.应力波垂直入射
图5—4表示入射的一种三角形波从自由面反射的过 程。设入射的应力波是压缩应力波，从左向右传播， 如图中的a所示。波在到达自由面以前，随着波的 前进，介质承受压缩应力的作用。当波到达自由面 时立即发生反射。图中的b表示三角波正在反射过 程中，图中的c表示波的反射过程已经结束。反射前 后的波峰应力值和波形完全一样，但极性完全相反， 由反射前的压缩波变为反射后的拉伸波，由原介质 中返回，随着反射波的前进，介质从原来的压缩应 力下被解除的同时，而承受拉伸应力。
作用方2向如图5—8所示，该应力分布状态与图5—7
中的应力分布状态极为相似。
第四节 单个药包的爆破作用 一、单个集中药包的爆破作用
（一）爆破的内部作用
当药包在岩体中的埋置深度很大，其爆破 作用达不到自由面，即在无限介质中的爆 破，这种情况下的爆破作用叫做爆破的内 部作用 。
第五章 岩石中的爆破作用原理 第一节 岩石破碎机理的几种观点
炸药在岩石中爆破时所释出的能量只有少部 分用于破碎岩石，而大部分能量都消耗在产 生空气冲击波、地震波、噪声和飞石等有害 效应方面，炸药在岩石中爆破时它的能量利 用率很低（有人认为只有15~20%），大部分 能量都白白浪费掉了。
迄今为止，人们对岩石的爆破作用过程仍然 了解得不透彻，不同而形成三种假说 。
二、应力波反射拉伸破坏论
这派观点从爆轰的动力学观点出发。认为药 包爆破时，强大的冲击波冲击和压缩周围的 岩石，在岩石中激发成强烈的压缩应力波。 当这种应力波传到自由面时，从自由面反射 而成拉伸应力波，当这种波的强度超过岩石 的极限抗拉强度时，从自由面开始向爆源方 向产生拉伸片裂破坏作用。这派观点完全否 认了爆轰气体膨胀的推力作用。
2.在冲击载荷作用下，在承载体中诱发出的应力 是局部性的，在承载体内部产生了明显的应力不 均匀性。
3.在冲击载荷作用下，承载体的反应是动态的。
二、应力波
物体若受到爆炸或其他冲击载荷作用时，在 物体的内部就会产生过渡性的扰动现象，这 种现象叫做波动。
物体内的应力是以波动方式传播的，这种波 动方式的应力叫做应力波，对爆破来说这种 应力波是由爆炸冲击加载产生的，所以叫做 爆炸应力波。
1.应力波垂直入射
图5—4表示入射的一种三角形波从自由面反射的过 程。设入射的应力波是压缩应力波，从左向右传播， 如图中的a所示。波在到达自由面以前，随着波的 前进，介质承受压缩应力的作用。当波到达自由面 时立即发生反射。图中的b表示三角波正在反射过 程中，图中的c表示波的反射过程已经结束。反射前 后的波峰应力值和波形完全一样，但极性完全相反， 由反射前的压缩波变为反射后的拉伸波，由原介质 中返回，随着反射波的前进，介质从原来的压缩应 力下被解除的同时，而承受拉伸应力。
基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究
摘要：岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态， 开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验，研究岩石破坏的全过程， 从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程，研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特 征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压，岩样都表现脆性破坏的特征，峰前 卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈；且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下，岩石在 破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发，提出一种新的 能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为 U/U0，该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩 的能量变化过程，围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度，通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下 地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。 关键词：岩石力学；卸围压试验；变形破坏；能量原理；岩爆判别指标；岩爆等级 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)08–1530–11
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岩石力学与工程学报
2009 年
持偏应力 1 3 不变， 以 0.1 MPa/s 的速率卸载 3 至 岩样破坏。 3.2 常规加载试验 岩石试样在加载过程中，试验机不断对岩石做 功，外载机械能不断转化为岩石的内能，从而使岩 石的内能升高，图 2 为岩样常规三轴试验曲线(图 中， v 为体积应变，下同)，由图 2 可以看出，该岩 石属于典型的弹脆性岩石，在峰值强度前，应力– 应变基本呈直线关系，说明因微裂隙扩展而释放的 弹性应变能非常小，外力所做的功 的临界态发展。且在常规三轴应力状态下，围压也对 岩样做功，单位体积岩样实际吸收的能量可用式(2) 表示。
动态卸荷作用下节理围岩损伤过程研究
动态卸荷作用下节理围岩损伤过程研究路世伟;孙金山;周传波;卢文波【摘要】为了探明节理岩体中的巷道爆破开挖后的卸载机理，为实际工程提供理论依据，本文基于离散元数值模拟方法，分析了考虑爆破荷载深埋矩形巷道节理围岩的损伤过程。
结果表明：高地应力条件下，爆破开挖会在节理围岩中诱发显著的松动效应，导致洞壁附近形成远大于静态塑性区的动态松动损伤区，使得最终屈服区以外的节理面强度和渗透性等力学参数发生劣化；受爆破荷载的影响，岩体的回弹将产生较大的振动速度，达到m/s量级，是洞壁附近节理面损伤的主要来源；节理的组合方式也会对节理松动产生较大的影响，当节理夹角接近60°时，围岩最容易破坏。
%In order to explore the unloading mechanism of jointed surrounding rock masses after blasting excava-tion and to provide the theoretical basis for actual projects,the damage process of jointed surrounding rock mass caused by dynamic unloading in blasting excavation was analyzed based on the distinct element method. It waspro-posed that the loosing effect was very remarkable,such that a loosing zone was formed in jointed surrounding rock mass,which was probably much larger than in the static plastic zone. As a result,the mechanical parameters of joints in the loosing zone,such as the strength and permeability decreased greatly;a large vibration velocity with a magni-tude of m/s was produced by the rebounding of rock in blasting excavation which was an important damage resource of joints near the wall interference;the statement of joints sets had a great influence on theloosing of joints,and jointed surrounding rock mass was most likely damaged when the intersection angle was 60°.【期刊名称】《爆破》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】6页(P1-5,51)【关键词】爆破开挖;动态卸荷;深埋巷道;节理岩体;围岩损伤;离散元【作者】路世伟;孙金山;周传波;卢文波【作者单位】中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉430074; 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072;中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉430074; 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072;中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉430074;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072【正文语种】中文【中图分类】O383当前岩体卸荷研究多是在静力学范畴下进行的。
深埋硬岩隧道卸荷热力效应及岩爆趋势分析
(1. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)
摘要：在高地应力和高地温的联合作用下，深埋高地温隧道围岩的变形破坏机制将更加复杂。开展不同温度环境 下花岗岩加卸载三轴试验，详细分析试样的应力–应变全过程曲线、力学参数变化特征和宏观破坏类型等随温度 的变化规律。试验表明：存在 60 ℃～100 ℃的温度门槛值，当温度未超过此范围门槛值时，随着温度的增加，岩 石峰后变形由延性向脆性转换，温度增强了硬岩的脆性破坏；当温度升高时，主要表现为剪切破坏，出现贯穿试 件的剪切破坏。在试验基础之上，开展基于有限差分的热–力耦合分析，利用脆性力学模型和能量指标分析隧道 的温度作用效应，进行不同地温下隧道开挖后的力学响应，定量对比不同地温条件下隧道塑性区、应力和能量指 标，计算结果表明，隧道地温增加将使岩体岩爆烈度增加。计算结果与试验数据相一致，深埋硬岩隧道卸荷的热–力 耦合研究对于深埋高地温隧道的设计和施工具有指导意义。 关键词：隧道工程；高地温；岩爆；三轴试验；热–力耦合分析 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2013)08–1554–10
目前，高地温环境下的深埋隧道岩石力学问题， 已成为岩石力学的热点之一。我国西南地区地质构 造复杂、新构造运动和地热环境活跃，兴建的大量 铁路、公路深埋隧道将经受高地温环境的困扰。深 埋硬岩隧道还将经受高应力作用下的岩爆灾害。拟 建的泛亚铁路网重点工程云南大理—瑞丽铁路线全 长 34.5 km，将穿越地热环境活跃的高黎贡山，隧 道选线最大主应力为 15～28 MPa，最高温度高达 50 ℃，因此，高黎贡山隧道属高地应力、高地热隧 道，隧道将遇到岩爆、高地温及等温度–应力耦合 作用的困扰。因此，需要深入研究高应力、高地温 环境下的深埋硬岩隧道岩石力学行为。 温度对岩石的作用效应概括为两方面：一是 温度对基本力学参数的作用影响；二是温度作用引 起的破坏形式改变。如：许锡昌和刘泉声[1]研究了 20 ℃～600 ℃的花岗岩在单轴压缩下的主要力学 参数随温度的变化规律，提出 75 ℃，200 ℃分别 是力学参数的门槛值；L.Y. Zhang 等[2]探讨了从室 温至 800 ℃下 3 种硬岩的峰值强度、峰值应变和弹 性模量的变化规律；J. S. O. Lau 和 R. Jackson[3]研究 了较低围压下花岗岩的弹性模量、泊松比、抗压强度 随温度的变化规律；吴 刚等[4]研究了常温～800 ℃ 温度作用下，大理岩的应力–应变全过程等随温度 的变化情况。 在温度对岩石破坏形式改变方面：Q. X. Lin 等[5] 通过声发射监测了花岗岩强度随时间的降低规律和 微观破坏机制。 李建林等[6]通过三轴卸荷试验认为， 高温烘烤后岩样的抗拉强度出现了明显降低。张志 镇等[7]在实时高温对花岗岩进行单轴压缩和断口电 镜扫描试验，并指出高温后岩样冲击倾向性减弱， 破坏机制呈现脆性向延性转变的趋势。李鹏举等[8-9] 通过 25 ℃～1 300 ℃的温度试验证明温度的升高 使硬岩从脆性向延性转化。 在热–力计算分析方面：S. Y. Li 等[10]根据温 度对岩土的损伤试验，基于 Mohr-Coulomb 准则提 出了岩土材料的统计损伤本构模型。陈益峰等[11]基 于均匀化方法给出低孔隙率脆性岩石在热–力耦合 荷载作用条件下的各向异性损伤模型和有效热传导 特性模型。J. C. Andersson 和 C. D. Martin[12]与 H. X. Lan 等
摘要：在高地应力和高地温的联合作用下，深埋高地温隧道围岩的变形破坏机制将更加复杂。开展不同温度环境 下花岗岩加卸载三轴试验，详细分析试样的应力–应变全过程曲线、力学参数变化特征和宏观破坏类型等随温度 的变化规律。试验表明：存在 60 ℃～100 ℃的温度门槛值，当温度未超过此范围门槛值时，随着温度的增加，岩 石峰后变形由延性向脆性转换，温度增强了硬岩的脆性破坏；当温度升高时，主要表现为剪切破坏，出现贯穿试 件的剪切破坏。在试验基础之上，开展基于有限差分的热–力耦合分析，利用脆性力学模型和能量指标分析隧道 的温度作用效应，进行不同地温下隧道开挖后的力学响应，定量对比不同地温条件下隧道塑性区、应力和能量指 标，计算结果表明，隧道地温增加将使岩体岩爆烈度增加。计算结果与试验数据相一致，深埋硬岩隧道卸荷的热–力 耦合研究对于深埋高地温隧道的设计和施工具有指导意义。 关键词：隧道工程；高地温；岩爆；三轴试验；热–力耦合分析 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2013)08–1554–10
目前，高地温环境下的深埋隧道岩石力学问题， 已成为岩石力学的热点之一。我国西南地区地质构 造复杂、新构造运动和地热环境活跃，兴建的大量 铁路、公路深埋隧道将经受高地温环境的困扰。深 埋硬岩隧道还将经受高应力作用下的岩爆灾害。拟 建的泛亚铁路网重点工程云南大理—瑞丽铁路线全 长 34.5 km，将穿越地热环境活跃的高黎贡山，隧 道选线最大主应力为 15～28 MPa，最高温度高达 50 ℃，因此，高黎贡山隧道属高地应力、高地热隧 道，隧道将遇到岩爆、高地温及等温度–应力耦合 作用的困扰。因此，需要深入研究高应力、高地温 环境下的深埋硬岩隧道岩石力学行为。 温度对岩石的作用效应概括为两方面：一是 温度对基本力学参数的作用影响；二是温度作用引 起的破坏形式改变。如：许锡昌和刘泉声[1]研究了 20 ℃～600 ℃的花岗岩在单轴压缩下的主要力学 参数随温度的变化规律，提出 75 ℃，200 ℃分别 是力学参数的门槛值；L.Y. Zhang 等[2]探讨了从室 温至 800 ℃下 3 种硬岩的峰值强度、峰值应变和弹 性模量的变化规律；J. S. O. Lau 和 R. Jackson[3]研究 了较低围压下花岗岩的弹性模量、泊松比、抗压强度 随温度的变化规律；吴 刚等[4]研究了常温～800 ℃ 温度作用下，大理岩的应力–应变全过程等随温度 的变化情况。 在温度对岩石破坏形式改变方面：Q. X. Lin 等[5] 通过声发射监测了花岗岩强度随时间的降低规律和 微观破坏机制。 李建林等[6]通过三轴卸荷试验认为， 高温烘烤后岩样的抗拉强度出现了明显降低。张志 镇等[7]在实时高温对花岗岩进行单轴压缩和断口电 镜扫描试验，并指出高温后岩样冲击倾向性减弱， 破坏机制呈现脆性向延性转变的趋势。李鹏举等[8-9] 通过 25 ℃～1 300 ℃的温度试验证明温度的升高 使硬岩从脆性向延性转化。 在热–力计算分析方面：S. Y. Li 等[10]根据温 度对岩土的损伤试验，基于 Mohr-Coulomb 准则提 出了岩土材料的统计损伤本构模型。陈益峰等[11]基 于均匀化方法给出低孔隙率脆性岩石在热–力耦合 荷载作用条件下的各向异性损伤模型和有效热传导 特性模型。J. C. Andersson 和 C. D. Martin[12]与 H. X. Lan 等
南华大学-岩石的爆破破碎机理-7页精选文档
南华大学-岩石的爆破破碎机理第七章岩石的爆破破碎机理概论爆破是目前采矿工程中和其他基础工程中应用最广泛最频繁的一种破碎岩石的有效手段。
为了更有效的利用炸药爆炸释放的能量达到一定的工程目的，研究炸药包爆炸作用下岩石的破碎机理是一项重要的科研课题。
炸药爆轰过程属于超动态动力学问题，从药包起爆到岩石破碎，只有几十微秒。
岩石的爆破机理研究是在生产实践的基础上，借助于高速摄影，模拟试验，数值分析对爆破过程中在岩石内发生的应力、应变、破裂、飞散等现象的观测基础上总结而成的。
（讲课时间5分钟）第一节岩石爆破破坏的几种假说一、爆炸气体产物膨胀压力破坏理论（讲课时间10分钟）岩石主要由于装药空间内爆炸气体产物的压力作用而破坏。
炸药爆炸—气体产物（高温，高压）—在岩中产生应力场—引起应力场内质点的径向位移—径向压应力—切向拉应力—岩石产生径向裂纹；如果存在自由面，岩石位移的阻力在自由面方向上最小，岩石质点速度在自由面方向上最大，位移阻力各方向上的不等形成剪切应力导致岩石剪切破坏；爆炸气体剩余压力对岩块产生进一步的抛掷。
这种理论认为：1、炸药的能量中动能仅为5%~15%，大部分能量在爆炸气体产物中；2、岩石发生破裂和破碎所需时间小于爆炸气体施载于岩石的时间。
二、冲击波引起应力波反射破坏理论（讲课时间5分钟）岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射转变成的拉应力波造成的。
爆炸冲击波在自由面反射为拉伸波，岩石的抗拉强度低，岩石易受拉破坏。
这种理论主要依据：1、岩体的破碎是由自由面开始而逐渐向爆心发展的；2、冲击波的压力比气体膨胀压力大得多。
图7-1 反射拉伸破坏三、爆炸气体膨胀压力和冲击波所引起的应力波共同作用理论（难点）（讲课时间10分钟）爆破时岩石的破坏是爆炸气体和冲击波共同作用的结果，它们各自在岩石破坏过程的不同阶段起重要作用。
爆轰波衰减成应力波造成岩石“压碎”，压碎区以外造成径向裂隙。
气体产生“气楔作用”使裂隙进一步延伸和张开，直到能量消耗完。
《2024年瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的数值研究》范文
《瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的数值研究》篇一一、引言随着地球科学的不断发展和进步，岩体破坏问题成为了研究的重要课题之一。
其中，瞬时卸荷岩体破坏是一种常见的地质灾害现象，对于此类现象的研究不仅有助于揭示岩体破坏的内在机制，还可以为地质灾害的预测和防治提供理论依据。
本文将通过数值模拟的方法，对瞬时卸荷岩体破坏特征及机理进行深入研究。
二、研究背景及意义瞬时卸荷岩体破坏是指岩体在受到外部因素（如地震、降雨、地下水位变化等）的瞬间作用下，发生的迅速破裂和变形过程。
该过程涉及多种复杂的地质条件和力学机制，其研究具有重要的理论意义和实践价值。
一方面，深入理解瞬时卸荷岩体破坏特征及机理有助于丰富和完善地球科学、地质工程等领域的基础理论；另一方面，研究成果可为实际工程中岩体的稳定性和安全性评价提供依据，对地质灾害的预测和防治具有重要意义。
三、研究方法本文采用数值模拟的方法，利用有限元分析软件对瞬时卸荷岩体破坏过程进行模拟。
具体方法包括：1. 确定模拟范围和岩体性质，包括材料模型、物理参数等；2. 建立数值模型，设置初始应力场和边界条件；3. 模拟瞬时卸荷过程，包括施加外部荷载、改变边界条件等；4. 观察和分析模拟结果，提取岩体破坏特征及机理。
四、瞬时卸荷岩体破坏特征根据数值模拟结果，瞬时卸荷岩体破坏具有以下特征：1. 破裂形态：岩体在瞬时卸荷作用下发生破裂，破裂形态多样，包括张性破裂、剪切破裂等；2. 变形特征：岩体在破裂过程中发生显著的变形，包括拉伸变形、剪切变形等；3. 能量变化：瞬时卸荷过程中，岩体内部能量发生显著变化，包括弹性势能和损伤能的转化和释放；4. 影响因素：岩体的破坏程度受多种因素影响，如岩体性质、外部荷载、边界条件等。
五、瞬时卸荷岩体破坏机理根据数值模拟结果和前人研究成果，瞬时卸荷岩体破坏的机理主要包括以下几个方面：1. 应力重分布：瞬时卸荷导致岩体内应力重分布，局部区域出现高应力集中；2. 裂纹扩展：高应力集中区域易发生裂纹扩展，裂纹扩展过程中吸收能量并导致岩体破裂；3. 能量转化与释放：岩体在破裂过程中发生能量转化和释放，包括弹性势能转化为热能等；4. 多种因素共同作用：瞬时卸荷岩体破坏是多种因素共同作用的结果，包括岩体性质、外部荷载、边界条件等。
风化花岗岩崩岗崩壁卸荷失稳机制研究
风化花岗岩崩岗崩壁卸荷失稳机制研究我想说的是，风化花岗岩崩岗崩壁卸荷失稳机制是一个非常有趣的话题。
在这篇文章中，我将探讨这个话题，并提供一些有关该话题的详细信息。
一、1.1 背景介绍
风化花岗岩是一种常见的岩石类型，它在自然界中广泛分布。
由于各种因素的影响，如气候变化、地质构造等，风化花岗岩可能会发生崩塌和滑坡等灾害。
这些灾害对人类社会造成了很大的影响，因此对其进行研究非常重要。
二、2.1 崩岗崩壁的形成机制
风化花岗岩崩岗崩壁的形成机制非常复杂。
一般来说，它们是由于重力作用、地震活动、水流或其他外部因素引起的。
当这些力量超过了岩石的强度极限时，岩石就会发生变形或破裂，并最终导致崩塌或滑坡。
三、3.1 卸荷失稳机制
除了上述形成机制外，风化花岗岩还可能因为卸荷失稳而发生崩塌或滑坡。
卸荷失稳是指当外部载荷突然消失或减小时，岩石内部原有的平衡状态被打破，导致岩石发生变形或破裂。
这种现象在桥梁、建筑物和其他结构中也很常见。
四、4.1 研究方法
为了更好地了解风化花岗岩崩岗崩壁卸荷失稳机制，我们需要采用一系列科学的研究方法。
例如，我们可以使用地震仪、测斜仪等仪器对岩石进行监测；我们还可以使用数值模拟软件对岩石的运动过程进行模拟；我们可以对实际发生的灾害进行调查和分析。
五、5.1 结论与展望
通过对风化花岗岩崩岗崩壁卸荷失稳机制的研究，我们可以更好地了解这些灾害的形成过程和规律。
这将有助于我们采取有效的措施来预防和减轻这些灾害对人类社会造成的损失。
未来，我们还需要进一步深入研究这个问题，并开发出更先进的技术和方法来进行监测和预测。
卸荷定律卸荷曲线
卸荷定律卸荷曲线
摘要：
1.卸荷定律简介
2.卸荷曲线概述
3.卸荷定律在工程中的应用
4.卸荷曲线的特点与分析方法
5.结论与展望
正文：
卸荷定律是岩土工程中一个重要的理论依据，它描述了岩土体在卸载过程中的应力变化规律。
卸荷定律的核心思想是：在一定条件下，岩土体中的应力与卸载过程中的位移呈线性关系。
这一定律在我国的岩土工程领域具有广泛的应用，为工程师们提供了宝贵的理论指导。
卸荷曲线则是描述卸荷过程中应力与位移关系的一种图形表达方式。
它直观地展示了岩土体在卸载过程中的应力变化情况，为工程师们提供了重要的参考依据。
卸荷曲线的主要特点有以下几点：
1.曲线形状：卸荷曲线通常呈线性或非线性形状，取决于岩土体的性质和卸载条件。
2.曲线斜率：卸荷曲线斜率反映了岩土体卸荷过程中的应力变化速率，对于判断岩土体的稳定性具有重要意义。
3.曲线截距：卸荷曲线截距表示岩土体在初始状态下的应力水平，可用于评估岩土体的初始应力状态。
在工程实践中，卸荷定律和卸荷曲线有着广泛的应用。
工程师们可以根据卸荷曲线，分析岩土体在卸载过程中的应力变化规律，为工程设计和施工提供依据。
此外，卸荷曲线还可以用于评估岩土体的稳定性，为防治地质灾害提供参考。
随着岩土工程领域的不断发展，卸荷定律和卸荷曲线的研究也在不断深入。
未来，卸荷定律的应用范围将更加广泛，有望为我国的岩土工程事业做出更大的贡献。
总之，卸荷定律和卸荷曲线在岩土工程领域具有重要的理论和实践意义。
通过对卸荷定律的研究和应用，我们可以更好地理解和把握岩土体在卸载过程中的应力变化规律，为工程实践提供有力的支持。
岩石卸荷破坏特征与岩爆效应
山地研究(SHA N DI Y AN JIU)=M O U N T A IN RESEA RCH,1998,16(4):281～285 岩石卸荷破坏特征与岩爆效应王贤能 黄润秋(成都理工学院工程地质研究所 成都 610059) 提 要 岩爆是在地下洞室开挖卸荷过程中发生的,岩爆特征与岩石卸荷破坏特征密切相关.本文设计了模拟洞室开挖过程的三轴卸荷实验,探讨了岩石在不同卸荷速率条件下的变形破坏特征及其岩爆效应.关键词 三轴卸荷实验 卸荷速率 岩爆效应卸荷变形破坏现象在自然界中广泛存在.在岩质边坡中,卸荷将引起临空面附近岩体内部应力重分布、造成局部应力集中效应,并且在卸荷回弹变形过程中,还会因差异回弹而在岩体中形成一个被约束的残余应力体系.岩体在卸荷过程中的变形与破坏正是由这种应力变化引起的.在张应力集中带发展成拉裂面;在平行于临空面的压应力集中带处发展而成平行于临空面的压致拉裂面或剪切破裂面[1].卸荷回弹同样可以在岩体中形成残余剪应力,并导致剪切破裂.高地应力区钻进过程中所见到的岩芯饼裂的形成就是这种机制.我国长江葛洲坝大型机窠开挖过程中所观测到的沿平缓软弱夹层发生的向临空方向的剪切滑移,就是一种非常典型的差异卸荷回弹现象[1].王兰生教授提出的“浅生时效构造”,也是一种与卸荷有直接关系的新概念[2].孔德坊教授在研究成都粘土中的裂隙成因时,认为卸荷作用是产生这种裂隙的根本原因[3].处在高地应力地区的地下工程开挖过程中发生的岩爆,也是一种典型的卸荷破坏现象.过去对岩爆的岩石力学试验研究一般都采用加荷试验方式,这与岩爆发生时的应力过程并不吻合,只有采用卸荷试验方式才符合实际.由于试验条件限制和工程问题的复杂性,卸荷试验的实现比较困难.近十余年来,随着岩石力学的深入发展和工程实际的需要,我国逐步开展了岩体卸荷试验研究工作[4].本文选取西(安)(安)康铁路秦岭深埋隧道的混合花岗岩、含绿色矿物混合花岗岩、攀枝花石灰矿的灰岩,探讨了岩石在两种卸荷速率条件下的变形破坏特征以及与岩爆的关系.1 模拟硐室开挖卸荷过程的三轴试验设计地下硐室在开挖过程中,围岩应力发生重分布.径向应力( r)随着向自由表面接近逐渐减小至洞壁处变为零;而切向应力( )的变化有不同的情况,在一些部位越接近自由表面切向应力越大,并于洞壁处达到最高值(即产生压应力集中现象),在另一些部位,越接近自由表面切向应力越小,有时在洞壁处甚至出现拉应力(即产生拉应力集中现象).由此看来,地下硐室的开挖在围岩中引起强烈的应力分异现象,使围岩应力差越接近自由 *国家杰出青年科学基金(编号49525204)和教育部跨世纪优秀人才计划基金资助研究.收稿日期:1998-03-15,改回日期:1998-03-29.表面越大,至洞壁处达最大值,所以,围岩的破坏必将从硐室周边开始.假定围岩径向应力 r 为最小主应力 3,切向应力 为最大主应力 1,则在硐室开挖卸荷过程中,最小主应力 3一直减小;最大主应力 1的变化有三种情况,可能增大,可能减小,也可能不变.相比之下,当最大应力 1增大,而最小应力 3减小时,其应力差( 1- 3)最容易达到岩体的破坏极限状态.基于此,这里将模拟岩体在这类应力路径下的卸荷破坏特征.本次试验是在成都理工学院地质灾害防治与地质环境保护国家专业试验室M TS 岩石试验机上完成的.试验中选取两种卸荷控制方式:位移控制(LVDT 控制)和荷载控制(FORCE 控制).位移控制(LV DT 控制)方式的过程是:对岩样称施加静水压力,然后使轴压略微升高(视岩石的强度而定);保持试验系统(由岩样和两端压头组成)的轴向位移不变(即LVDT 控制),逐渐卸除围压,直至破坏.其典型的应力路径如图1所示.图中,S 点为静水压力状态,SU 为加荷阶段;U 点为卸荷开始点,UF 段为卸荷阶段;F 点为卸荷破坏点.图1 L V DT 控制方式的应力路径Fig.1 Stress path of LVDT control typefor un load ing p roces s 图2 F O RCE 控制方式的应力路径Fig.2 Stres s path of FORCE control type for unloading process荷载控制(FORCE 控制)方式的过程是:对岩样先施加静水压力,然后使轴压略微升高(视岩石的强度而定);保持试验系统的荷载不变(即FORCE 控制),逐渐卸除围压,直至破坏.其典型的应力路径如图2所示.图中,S ′点为静水压力状态,S ′U ′为加荷阶段;U ′点为卸荷开始点,U ′F ′段为卸荷阶段;F ′点为卸荷破坏点.两种卸荷方式的应力路径很相似,不同之处在于卸荷过程中围压 3的减少量 3与轴压 3的增加量 1的比率不同.位移控制(LVDT 控制)方式的比值 3/ 1为1.13,荷载控制(FORCE 控制)方式的 3/ 1为0.14,即位移控制方式的卸荷速率比荷载控制方式的卸荷速率快.2 岩石的卸荷过程中的变形破坏特征本次试验选取以下三种岩石:秦岭隧道工程的混合花岗岩、含绿色矿物混合花岗岩和攀枝花石灰矿的石灰岩.其中秦岭隧道混合花岗岩取自隧道进口端曾经发生过岩爆位置的岩石.为便于对比,每种岩石分别做了加荷试验.试验结果如图3～5和表1所示.图4为位移控制(LVDT 控制)方式卸荷试验曲线,图5为荷载控制(FORCE 控制)方式卸荷试验曲线.从图3中可以看出,岩石在位移控制(LVDT 控制)方式下卸荷,其加荷段与卸荷段的变形特征明显不同(图中U 点为卸荷开始点).加荷段的斜率明显比卸荷段的斜率大,282山 地 研 究16卷(1)灰岩(2)混合花岗岩(3)含绿色矿物混合花岗岩图3 岩石加荷试验曲线Fig.3 The strain-stress cur ves of rock s am ple under loading cond itios即岩石在加荷过程中的弹性模量比卸荷过程的弹性模量大(如表1所示).攀矿石灰岩加荷段的弹性模量为41.63GPa ,而卸荷段的弹性模量为40.73GPa.与加荷试验相比,位移控制(LVDT 控制)方式下岩石卸荷破坏时的应力差明显减小(如表1所示).攀矿石灰岩加荷试验破坏时的应力差为251.M Pa,而卸荷破坏时的应力差为115.62M Pa;秦岭隧道混合花岗岩加荷试验破坏时的应力差为273.87M Pa ,而卸荷破坏时的应力差155.57M Pa .这说明,岩石在卸荷过程中其强度明显降低.图3岩石加荷试验曲线与5卸荷试验曲线(荷载控制)相比,同类岩石在卸荷过程中的变形量增大,弹性模量降低(如表1所示).秦岭隧道混合花岗岩卸荷弹性模量为44.88GPa(图5a 所示),而相应的加荷弹性模量为53.48GPa.(a )石灰岩;(b )混合花岗岩;(c)含绿色矿物混合花岗岩图4 岩石卸荷试验曲线(L V DT 控制)Fig.4 T est curves of rock sample under u nload ingcondition controlled by L VDT type (a )石灰岩( 1=30.53M Pa , 3=30M Pa ),(b )石灰岩( 1=38.98M Pa, 3=30M Pa),(c)混合花岗岩图5 岩石卸荷试验曲线(F ORCE 控制)Fig.5 T es t cu rves of rock sample un der unloading con dition con tr olled by FORCE type从表1可以看出,岩石卸荷速度越快,其强度越低.位移控制(LVDT 控制)方式围压减小量与轴压增加量的比值为1.13,而荷载控制(FORCE 控制)方式围压减小量与轴压增加量的比值仅为0.14,因此,位移控制卸荷方式下岩石的强度将比荷载控制卸荷方式下岩石的强度低.攀矿石灰岩,位移控制方式卸荷破坏时的应力差为115.62M Pa(破坏时的围压为2.43M Pa ),而荷载控制方式卸荷破坏时的应力差为214.40M Pa (破坏时的围压为9.90M Pa )。
卸荷条件下岩石破坏宏细观机理与地下工程设计计算方法研究
卸荷条件下岩石破坏宏细观机理与地下工程设计计算方法研究一、本文概述本文旨在深入探讨卸荷条件下岩石破坏的宏细观机理，并针对地下工程设计计算方法进行研究。
我们将首先概述卸荷条件下岩石破坏的基本概念，然后分析岩石破坏的宏细观机理，包括岩石的力学特性、破坏模式以及破坏过程中的微观结构变化。
接着，我们将重点研究地下工程设计计算方法，结合卸荷条件下岩石破坏的宏细观机理，提出更为准确、可靠的设计计算方法。
本文的研究将为地下工程的设计、施工和安全管理提供重要的理论依据和实践指导。
通过对卸荷条件下岩石破坏的宏细观机理进行深入剖析，我们可以更好地理解岩石在卸荷过程中的力学行为和破坏机制，为地下工程的设计提供更为精确的理论基础。
结合地下工程设计的实际需求，我们可以进一步优化设计计算方法，提高地下工程的安全性和稳定性。
本文的研究具有重要的理论意义和实践价值。
一方面，它将丰富和完善岩石力学和地下工程设计的理论体系；另一方面，它将为地下工程的设计、施工和安全管理提供更为有效的技术支持和方法指导。
我们相信，随着研究的深入和技术的进步，地下工程的设计计算方法将更加成熟、完善，为地下空间的开发利用提供更为可靠的技术保障。
二、卸荷条件下岩石破坏的宏观机理卸荷条件是指岩石体在受到外部荷载作用后，随着荷载的逐渐减小或消除，岩石体内部应力状态发生变化，进而引发岩石破坏的过程。
在卸荷条件下，岩石破坏的宏观机理主要表现为应力重分布、损伤累积和破坏模式转变等方面。
卸荷条件下岩石内部的应力状态会发生变化。
在荷载作用下，岩石体内部产生压应力，随着荷载的减小或消除，压应力逐渐转化为拉应力或剪应力。
这种应力状态的变化会导致岩石体内部的微裂缝扩展和连通，进而形成宏观裂缝，最终导致岩石破坏。
卸荷条件下岩石损伤会不断累积。
在卸荷过程中，岩石体内部的微裂缝不断扩展和连通，导致岩石的完整性受到破坏，损伤不断累积。
随着损伤的累积，岩石体的力学性质发生变化，如弹性模量降低、强度减弱等，进而加速了岩石的破坏过程。
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１引占
长期以来，人们对冲击载荷导致的岩石动应力特性研究得较多，开展了大量理论和试验工 作，因为了解这种突然加载行为及其在介质中产生的瞬态应力在某些情况下显得尤为重要，尤其 是在对爆破荷载动力效应的研究中；对卸荷行为也作过一些研究，但大都限于几ＭＰａ／ｍｉｎ量级 卸荷速率的准静态卸荷情况；而对爆炸载荷达到１０５～１０７ＭＰ∥ｓ量级高卸荷速率下的动态卸荷效 应的研究则不甚多见，而且多限于定性研究。
岩石爆破破碎中的动态卸荷效应
压力按已知形式变化；（２）球形空腔位于地下一定深度，以忽略地表面对弹性波的影响；而柱 形空腔沿轴向无限延伸，则对于柱腔激发问题来说，可简化为一个轴对称的、线弹性平面应变问 题；（３）不考虑岩体中初始地应力的影响。
利用轴对称坐标系描述问题，对于球面波采用球坐标系，对于柱面波采用柱坐标系。考虑动 态效应，忽略体积力，则由变形的虎克定律（Ｈｏｏｋｅ’ｓ Ｌａｗ）及运动平衡方程，炸药瞬时爆轰时 在弹性介质中激发的弹性波的控制方程为：
１００
５５
３４５ ３１
９一１３ ３０—３９ ３０—３８ ２４～２７
０ ４０５—０ ５８５ ｌ ３５一ｌ ７５５ ０ ６０～０ ７６ １ ２一Ｉ ３５
爆破类型
预裂爆破 光面爆破 缓冲爆破
表１各类爆破形式孔眼参数及对应的径ｌ句破坏范屡ｆ连续装药）
孔稃２ａ。．／Ⅱｌｒ｜ｌ 药径／ｍｌ 爆炸峰压／ＭＰａ
９０
２５
５ ８８
９０
３２
２５ ８６
径向破坏范围
距离，／孔半径如
具体范围／ｍ
７～１０
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３５
４４ ２８
９０
５５
６６６ ７０
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２５
７６２ ９４
ｌ、２、３分别对应于指数型衰减Ｐ（￡）＝Ｐｏｅ”““’、简谐型衰减ｐ（ｆ）＝Ｐ。ｃｏｓｍ（ｔ—ｆ，）和直线型 衰减Ｐ（ｔ）＝Ｐ。［１一（ｔ—ｔ，）／（ｔ。一ｔ，）］三种情况。得到对应各种情况下２倍空腔半径（ｒ＝ ２‰）处的典型径向应力时程曲线。
图４、５、６分别给出ｒ ２倍空腔半径处的径向应力时程曲线。图４对应于指数型衰减情况，其 中曲线１、２、３分别对应于口＝２ Ｘ１０５、Ｉ Ｘ１０５、５ Ｘ１０４（即ｔ。＝１５０斗ｓ、２５０¨ｓ和４５０１Ｂ）；图５对应于简 谐型衰减情况，其中ｌ、２、３曲线分别对应于ｍ＝５Ｃ００１ｒ、２５００ａｔ、２０００ａｘ（即‘。＝１５０ｐ．ｓ、２５０ｐ．ｓ和３００１Ｊ．ｓ）； 图６对应于直线型衰减情况，其中曲线１、２、３分别对应ｔ。＝１５０ｐ．ｓ、２５０ｐ．ｓ和３５０ｐｓ。
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图９直线衰减时不同距离处 的径向应力曲线
图】ｏ不同衰减速率时５倍柱腔半径 处的径向应力曲线
由上面的计算结果可以发现，在柱腔压力卸荷的过程中，柱腔周围介质内的径向应力也会由 压应力转变为拉应力，而且卸荷速率越高，该拉应力值越大。当然，并不是任何位置处均会出现 径向拉应力，只有在距柱腔一定距离以外才会产生径向的卸荷拉应力；而且可以发现，随着距离的 增加，径向应力的压应力幅值与拉应力幅值的比值越来越小，这与王文龙”３给出的结论是一致的。 ３．３小结
爆破开挖工程中，爆破荷载的施加和卸除都相当快，对于爆破荷载动力效应的研究应不仅仅限 于瞬问加载情况．加强对高速率动态卸荷过程中岩石动应力行为的研究也极其有必要。为此，本文 在线弹性变形假设的情况下，分别以瞬态载荷作用下弹性介质中球形空腔的动态响应解析解和柱形 空腔的动态响应数值解为基础，分析了爆破破岩过程中的动态卸荷效应。并以龙滩水电站工程右岸 导流隧洞开挖为例，分析了预裂爆破、光面爆破及缓冲爆破几种爆破形式下动态卸荷破坏范围。
爆破理论研究
中仍可能造成拉裂破坏。因此，这种表面上的卸载现象，对介质来说，其实质反而可能是加载。
４各类型爆破的动态卸荷影响范围
很显然，对应于某～定距离ｒ处的径向应力时程曲线上有一拉应力峰值，如果建立该拉应力 峰值与距离ｒ的关系，则可得到径向拉应力峰值随离炮孔中心轴线距离的变化规律。而如果确定 了爆炸峰压Ｐ。和岩石动抗拉强度，则依据单轴拉伸破坏准则，可以粗略估计ＩＴＬ周围岩体在卸 荷拉应力作用下的径向破坏范围，亦即炮孔周围产生环向裂纹的范围。这种思想在研究岩石高边 坡或地下硐室爆破开挖对围岩的损伤或松弛效应时是具有重要指导意义和借鉴价值的。
通过分析球腔和柱腔压力动态卸荷时周围岩石介质中的动应力场，发现在腔壁压力高速率卸 荷过程中，无论对于球腔还是柱腔，其周围介质中径向应力均会由压应力转变为拉应力。所产生 的拉应力幅值与卸荷速率有关，卸荷速率越高，这种拉应力幅值越高。由于岩石等脆弹性类介质 的抗拉强度远低于抗压强度，即使在腔壁压力加载过程中不能对介质造成压缩破坏，在卸载过程
２ ‘瞬态载荷作用下球腔和柱腔周围动应力场计算
在均质、弹性、各向同性的介质中有一球形（或柱形）空腔，内装炸药。炸药爆炸时将有 一随时问变化的正冲击压力Ｐ（ｆ）作用在腔壁上，使球腔（或柱腔）周围介质沿径向产生位移 “。做如下假设：（１）球腔（或柱腔）半径足够大且装药量不多，因而作用在腔壁上的冲击压力 不太大，可认为腔壁产生的形变为弹性形变，从腔壁将有弹性波向外辐射，并假定炮孔空腔内的
对于柱腔爆炸情况，本文以下面两种情况为例作了分析，即腔壁载荷升压阶段均为直线上 升，而降压阶段分别呈指数型、直线型衰减两种情况。降压阶段指数型衰减形式为ｐ（￡）＝
岩石爆破破碎中的动态卸荷效应
·９·
——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一～
由于篇幅所限，详细推导过程可参见文献［６，７］。
３算例分析
在本节的算例中，所有参数选取如下：岩石弹性模量Ｅ＝５０ＧＰａ，泊松比ｖ＝０．２５，密度Ｐ＝ ２４００ｋｇ／ｍ３，纵波波速ｃ。＝５０００ｍ／ｓ，空腔半径口ｏ＝５０ｍｍ，ｔ，＝５０ｌ＾ｓ。ｔ。则变化取值，并取不同 形式的腔壁压力Ｐ（ｔ），考虑不同卸载速率情况下介质中的动应力场分布。 ３．１球腔爆炸情况
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图７指数衰减时不同距离处 的径向应力曲线
图８不同衰减速率时５倍柱腔 半径处的径向应力曲线
３，２．２直线衰减情况
距柱腔轴线不同距离处的径向应力时程曲线如图９所示，其中曲线１、２、３、４分别对应于ｒ ＝％、ｒ＝２ａ。、ｒ＝Ｓａ。、ｒ＝８ａｏ处。考虑不同衰减速率时的径向应力时程曲线如图１０所示，其中 ｌ、２、３曲线分别对应于ｔ．＝１００１ｘｓ、１５０ｐ。ｓ、２００¨ｓ的情况。
图３腔壁作用荷载随时间变化曲线
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图５腔壁压力ｐ（ｔ）呈简谐型衰减时 ２倍空腔半径处径向应力时程曲线
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图６腔壁压力Ｐ（ｔ）呈直线型衰减时２倍 空腔半径处径向应力时程曲线
以上结果表明，在腔壁压力高速率卸荷过程中，介质中激发的径向应力均由压转拉，而且卸 荷速率越高，径向拉应力峰值越高。 ３．２柱腔爆炸情况
早在】９６６年，库克（Ｃｏｏｋ．Ｍ．Ａ．）等”。就指出，作用荷载的突然释放可能导致岩石的超 松弛，在介质中产生拉应力。但是，从实体爆破中没有得到能够支持这种超松弛机制的类似证 据．用室内实验突然卸荷生成裂隙的尝试也未获得成功“。。澳大利亚学者哈根（Ｔ．Ｍ Ｈａｇａｎ）”１在研究爆破破岩机理时指出，当炮孔内气体压力降低到一定程度后，储存在炮孔周围 岩石介质中的应变能会急剧释放出来，形成环向裂隙，并称之为“卸荷裂纹”。爱迪尔（Ｊ．Ｎ． Ｅｄｌ Ｊｒ）”ｏ分析了理想化岩柱在柱端恒压突然卸除时的反应，并将其用于解释被爆岩石对气体压力 施加的载荷的反应情况。
３．１．１瞬间卸除载荷
如图】所示，恒载荷作用至ｔ，时刻瞬问卸除。由于腔壁处径向应力以只与空腔压力Ｐ（ｃ） 有关，在卸荷瞬间也只会降低为０，不会转变为拉应力，因此以下给出的均是具有代表性的２倍 空腔半径处径向应力的时程关系曲线图。图２为恒载荷作用瞬间卸除时计算得到的２倍空腔半径 处径向应力的时程关系曲线。
我们以龙滩水电站工程右岸导流涟洞开挖为例，分析了预裂爆破、光面爆破及缓冲爆破几种 爆破形式下动态卸荷影响范围。龙滩右岸导流隧洞开挖爆破参数见表Ｉ（径向不耦合连续装药） 及表２（径向不耦台间隔装药），使用２号岩石炸药，密度Ｐ。＝１０００ｋ∥ｍ３，爆速Ｄ＝３２００ｍ／ｓ。 表１中ｉＬ壁爆炸峰压采用如下径向不耦合连续装药结构的｝Ｌ壁初始脉冲峰压公式计算：
Ｐｏ＝警０２（护ｎ
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式中，Ｐ。为孔壁爆炸峰压，ＭＰａ；ｐ０为炸药密度，ｋｇ／ｍ３；Ｄ为炸药爆速，ｍ／ｓ；ｄ。为炮孔直径， ｍｉＴｔ；ｄ，为装药直径，ｍｍ。ｎ为气体与孔壁碰撞压力增大系数，可取ｎ＝８～１１，这里取ｎ＝１０。 对于表２中间隔装药结构，将其视为连续装药结构，根据药量得到等效连续装药直径，然后利用 式５计算爆炸峰压。
爆破理论研究
岩石爆破破碎中的动态卸荷效应
许红涛易长平卢文波
（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉４３００７２）
摘要在线弹性变形假设下，以瞬态载荷作用下弹性介质中球形空腔和柱形空腔 的动态一向应解析解和数值解为基础，分析了爆炸载荷动态卸荷时对介质中应力分布 的影响，发现两种情况下在腔壁压力高速率卸荷的过程中径向应力都会由压应力转 变为拉应力，且卸荷速率越高，拉应力幅值越大。以龙滩水电站工程右岸导流隧洞 开挖为例，分析了预裂爆破、光面爆破及缓冲爆破几种爆破形式下动态卸荷影响范 围；最后，探讨７这种动态卸荷效应在爆破破岩过程中的作用，对爆破工程实践中 一些现象作了合理的解释，指出了深入研究动态卸荷效应的必要性。 关键词 动态卸荷 球形空腔 柱形空腔 环向裂纹破坏范围
长期以来，人们对冲击载荷导致的岩石动应力特性研究得较多，开展了大量理论和试验工 作，因为了解这种突然加载行为及其在介质中产生的瞬态应力在某些情况下显得尤为重要，尤其 是在对爆破荷载动力效应的研究中；对卸荷行为也作过一些研究，但大都限于几ＭＰａ／ｍｉｎ量级 卸荷速率的准静态卸荷情况；而对爆炸载荷达到１０５～１０７ＭＰ∥ｓ量级高卸荷速率下的动态卸荷效 应的研究则不甚多见，而且多限于定性研究。
岩石爆破破碎中的动态卸荷效应
压力按已知形式变化；（２）球形空腔位于地下一定深度，以忽略地表面对弹性波的影响；而柱 形空腔沿轴向无限延伸，则对于柱腔激发问题来说，可简化为一个轴对称的、线弹性平面应变问 题；（３）不考虑岩体中初始地应力的影响。
利用轴对称坐标系描述问题，对于球面波采用球坐标系，对于柱面波采用柱坐标系。考虑动 态效应，忽略体积力，则由变形的虎克定律（Ｈｏｏｋｅ’ｓ Ｌａｗ）及运动平衡方程，炸药瞬时爆轰时 在弹性介质中激发的弹性波的控制方程为：
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９一１３ ３０—３９ ３０—３８ ２４～２７
０ ４０５—０ ５８５ ｌ ３５一ｌ ７５５ ０ ６０～０ ７６ １ ２一Ｉ ３５
爆破类型
预裂爆破 光面爆破 缓冲爆破
表１各类爆破形式孔眼参数及对应的径ｌ句破坏范屡ｆ连续装药）
孔稃２ａ。．／Ⅱｌｒ｜ｌ 药径／ｍｌ 爆炸峰压／ＭＰａ
９０
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径向破坏范围
距离，／孔半径如
具体范围／ｍ
７～１０
０ ３ｊ５一ｎ ４５
９０
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ｌ、２、３分别对应于指数型衰减Ｐ（￡）＝Ｐｏｅ”““’、简谐型衰减ｐ（ｆ）＝Ｐ。ｃｏｓｍ（ｔ—ｆ，）和直线型 衰减Ｐ（ｔ）＝Ｐ。［１一（ｔ—ｔ，）／（ｔ。一ｔ，）］三种情况。得到对应各种情况下２倍空腔半径（ｒ＝ ２‰）处的典型径向应力时程曲线。
图４、５、６分别给出ｒ ２倍空腔半径处的径向应力时程曲线。图４对应于指数型衰减情况，其 中曲线１、２、３分别对应于口＝２ Ｘ１０５、Ｉ Ｘ１０５、５ Ｘ１０４（即ｔ。＝１５０斗ｓ、２５０¨ｓ和４５０１Ｂ）；图５对应于简 谐型衰减情况，其中ｌ、２、３曲线分别对应于ｍ＝５Ｃ００１ｒ、２５００ａｔ、２０００ａｘ（即‘。＝１５０ｐ．ｓ、２５０ｐ．ｓ和３００１Ｊ．ｓ）； 图６对应于直线型衰减情况，其中曲线１、２、３分别对应ｔ。＝１５０ｐ．ｓ、２５０ｐ．ｓ和３５０ｐｓ。
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．５。…峙唾彳户 ２”２１
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图９直线衰减时不同距离处 的径向应力曲线
图】ｏ不同衰减速率时５倍柱腔半径 处的径向应力曲线
由上面的计算结果可以发现，在柱腔压力卸荷的过程中，柱腔周围介质内的径向应力也会由 压应力转变为拉应力，而且卸荷速率越高，该拉应力值越大。当然，并不是任何位置处均会出现 径向拉应力，只有在距柱腔一定距离以外才会产生径向的卸荷拉应力；而且可以发现，随着距离的 增加，径向应力的压应力幅值与拉应力幅值的比值越来越小，这与王文龙”３给出的结论是一致的。 ３．３小结
爆破开挖工程中，爆破荷载的施加和卸除都相当快，对于爆破荷载动力效应的研究应不仅仅限 于瞬问加载情况．加强对高速率动态卸荷过程中岩石动应力行为的研究也极其有必要。为此，本文 在线弹性变形假设的情况下，分别以瞬态载荷作用下弹性介质中球形空腔的动态响应解析解和柱形 空腔的动态响应数值解为基础，分析了爆破破岩过程中的动态卸荷效应。并以龙滩水电站工程右岸 导流隧洞开挖为例，分析了预裂爆破、光面爆破及缓冲爆破几种爆破形式下动态卸荷破坏范围。
爆破理论研究
中仍可能造成拉裂破坏。因此，这种表面上的卸载现象，对介质来说，其实质反而可能是加载。
４各类型爆破的动态卸荷影响范围
很显然，对应于某～定距离ｒ处的径向应力时程曲线上有一拉应力峰值，如果建立该拉应力 峰值与距离ｒ的关系，则可得到径向拉应力峰值随离炮孔中心轴线距离的变化规律。而如果确定 了爆炸峰压Ｐ。和岩石动抗拉强度，则依据单轴拉伸破坏准则，可以粗略估计ＩＴＬ周围岩体在卸 荷拉应力作用下的径向破坏范围，亦即炮孔周围产生环向裂纹的范围。这种思想在研究岩石高边 坡或地下硐室爆破开挖对围岩的损伤或松弛效应时是具有重要指导意义和借鉴价值的。
通过分析球腔和柱腔压力动态卸荷时周围岩石介质中的动应力场，发现在腔壁压力高速率卸 荷过程中，无论对于球腔还是柱腔，其周围介质中径向应力均会由压应力转变为拉应力。所产生 的拉应力幅值与卸荷速率有关，卸荷速率越高，这种拉应力幅值越高。由于岩石等脆弹性类介质 的抗拉强度远低于抗压强度，即使在腔壁压力加载过程中不能对介质造成压缩破坏，在卸载过程
２ ‘瞬态载荷作用下球腔和柱腔周围动应力场计算
在均质、弹性、各向同性的介质中有一球形（或柱形）空腔，内装炸药。炸药爆炸时将有 一随时问变化的正冲击压力Ｐ（ｆ）作用在腔壁上，使球腔（或柱腔）周围介质沿径向产生位移 “。做如下假设：（１）球腔（或柱腔）半径足够大且装药量不多，因而作用在腔壁上的冲击压力 不太大，可认为腔壁产生的形变为弹性形变，从腔壁将有弹性波向外辐射，并假定炮孔空腔内的
对于柱腔爆炸情况，本文以下面两种情况为例作了分析，即腔壁载荷升压阶段均为直线上 升，而降压阶段分别呈指数型、直线型衰减两种情况。降压阶段指数型衰减形式为ｐ（￡）＝
岩石爆破破碎中的动态卸荷效应
·９·
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由于篇幅所限，详细推导过程可参见文献［６，７］。
３算例分析
在本节的算例中，所有参数选取如下：岩石弹性模量Ｅ＝５０ＧＰａ，泊松比ｖ＝０．２５，密度Ｐ＝ ２４００ｋｇ／ｍ３，纵波波速ｃ。＝５０００ｍ／ｓ，空腔半径口ｏ＝５０ｍｍ，ｔ，＝５０ｌ＾ｓ。ｔ。则变化取值，并取不同 形式的腔壁压力Ｐ（ｔ），考虑不同卸载速率情况下介质中的动应力场分布。 ３．１球腔爆炸情况
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图７指数衰减时不同距离处 的径向应力曲线
图８不同衰减速率时５倍柱腔 半径处的径向应力曲线
３，２．２直线衰减情况
距柱腔轴线不同距离处的径向应力时程曲线如图９所示，其中曲线１、２、３、４分别对应于ｒ ＝％、ｒ＝２ａ。、ｒ＝Ｓａ。、ｒ＝８ａｏ处。考虑不同衰减速率时的径向应力时程曲线如图１０所示，其中 ｌ、２、３曲线分别对应于ｔ．＝１００１ｘｓ、１５０ｐ。ｓ、２００¨ｓ的情况。
图３腔壁作用荷载随时间变化曲线
Ｏｊ ５ ０ＩＯ
ｇ ０ ０５
ｂ
０ —－０ ０５ －０１０
图５腔壁压力ｐ（ｔ）呈简谐型衰减时 ２倍空腔半径处径向应力时程曲线
■ｒ＿ｏⅡｙｃＬ
图６腔壁压力Ｐ（ｔ）呈直线型衰减时２倍 空腔半径处径向应力时程曲线
以上结果表明，在腔壁压力高速率卸荷过程中，介质中激发的径向应力均由压转拉，而且卸 荷速率越高，径向拉应力峰值越高。 ３．２柱腔爆炸情况
早在】９６６年，库克（Ｃｏｏｋ．Ｍ．Ａ．）等”。就指出，作用荷载的突然释放可能导致岩石的超 松弛，在介质中产生拉应力。但是，从实体爆破中没有得到能够支持这种超松弛机制的类似证 据．用室内实验突然卸荷生成裂隙的尝试也未获得成功“。。澳大利亚学者哈根（Ｔ．Ｍ Ｈａｇａｎ）”１在研究爆破破岩机理时指出，当炮孔内气体压力降低到一定程度后，储存在炮孔周围 岩石介质中的应变能会急剧释放出来，形成环向裂隙，并称之为“卸荷裂纹”。爱迪尔（Ｊ．Ｎ． Ｅｄｌ Ｊｒ）”ｏ分析了理想化岩柱在柱端恒压突然卸除时的反应，并将其用于解释被爆岩石对气体压力 施加的载荷的反应情况。
３．１．１瞬间卸除载荷
如图】所示，恒载荷作用至ｔ，时刻瞬问卸除。由于腔壁处径向应力以只与空腔压力Ｐ（ｃ） 有关，在卸荷瞬间也只会降低为０，不会转变为拉应力，因此以下给出的均是具有代表性的２倍 空腔半径处径向应力的时程关系曲线图。图２为恒载荷作用瞬间卸除时计算得到的２倍空腔半径 处径向应力的时程关系曲线。
我们以龙滩水电站工程右岸导流涟洞开挖为例，分析了预裂爆破、光面爆破及缓冲爆破几种 爆破形式下动态卸荷影响范围。龙滩右岸导流隧洞开挖爆破参数见表Ｉ（径向不耦合连续装药） 及表２（径向不耦台间隔装药），使用２号岩石炸药，密度Ｐ。＝１０００ｋ∥ｍ３，爆速Ｄ＝３２００ｍ／ｓ。 表１中ｉＬ壁爆炸峰压采用如下径向不耦合连续装药结构的｝Ｌ壁初始脉冲峰压公式计算：
Ｐｏ＝警０２（护ｎ
㈤
式中，Ｐ。为孔壁爆炸峰压，ＭＰａ；ｐ０为炸药密度，ｋｇ／ｍ３；Ｄ为炸药爆速，ｍ／ｓ；ｄ。为炮孔直径， ｍｉＴｔ；ｄ，为装药直径，ｍｍ。ｎ为气体与孔壁碰撞压力增大系数，可取ｎ＝８～１１，这里取ｎ＝１０。 对于表２中间隔装药结构，将其视为连续装药结构，根据药量得到等效连续装药直径，然后利用 式５计算爆炸峰压。
爆破理论研究
岩石爆破破碎中的动态卸荷效应
许红涛易长平卢文波
（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉４３００７２）
摘要在线弹性变形假设下，以瞬态载荷作用下弹性介质中球形空腔和柱形空腔 的动态一向应解析解和数值解为基础，分析了爆炸载荷动态卸荷时对介质中应力分布 的影响，发现两种情况下在腔壁压力高速率卸荷的过程中径向应力都会由压应力转 变为拉应力，且卸荷速率越高，拉应力幅值越大。以龙滩水电站工程右岸导流隧洞 开挖为例，分析了预裂爆破、光面爆破及缓冲爆破几种爆破形式下动态卸荷影响范 围；最后，探讨７这种动态卸荷效应在爆破破岩过程中的作用，对爆破工程实践中 一些现象作了合理的解释，指出了深入研究动态卸荷效应的必要性。 关键词 动态卸荷 球形空腔 柱形空腔 环向裂纹破坏范围