多次爆破作用下巷道圍巖累積損傷演化與破裂特征

黃江，陳士海，2，曾凡福，蘇松

(1.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.華僑大學(xué) 福建省隧道與城市地下空間工程技術(shù)研究中心，福建 廈門 361021；3.中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054；4.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

地球淺部資源日益枯竭[1]，我國將深入地下1 000～2 000 m開采礦產(chǎn)資源，甚至延伸到更深的地方[2].鉆爆法因經(jīng)濟(jì)、高效和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為開采礦產(chǎn)資源的主要方式.使用鉆爆法開挖地下巷道時，預(yù)測爆破引起圍巖的損傷區(qū)域?qū)r體長期穩(wěn)定具有重要的意義[3-4].深部巖體處于復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，較大的地應(yīng)力是影響爆破開挖的重要因素[5].巖體中的地應(yīng)力對圍巖損傷的演化和爆破裂紋的發(fā)展都有很大影響[6-8].在爆破掘進(jìn)過程中，爆破沖擊波是瞬間產(chǎn)生并作用于巖體，深部巖體的原位應(yīng)力受到爆破荷載的影響，可能導(dǎo)致一些難以預(yù)料的災(zāi)害[9].巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)對地下深部工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估起著重要作用[10].爆破擾動與地應(yīng)力耦合作用下巖體受損，其力學(xué)特性也受到影響.特別是多次爆破擾動作用下巖體物理力學(xué)性質(zhì)不斷劣化，圍巖損傷程度逐漸累積，巖體損傷區(qū)域也在不斷地擴(kuò)大[11-12].因此，研究多次爆破荷載作用下深部巷道圍巖損傷演化與破裂特征具有重要意義.

深部巷道爆破開挖過程中，圍巖累積損傷演化過程十分復(fù)雜，在深部工程進(jìn)行現(xiàn)場爆破試驗(yàn)比較困難.所以，數(shù)值模擬成為了分析和評估巖石力學(xué)中復(fù)雜問題的一種有效方式[13-15].陳俊樺等[16]建立了考慮初始損傷的彈塑性損傷本構(gòu)模型，將數(shù)值模擬結(jié)果與工程實(shí)例結(jié)合，提出評價圍巖受爆破影響的損傷判據(jù).李新平等[17]把損傷本構(gòu)嵌入FLAC3D軟件中，通過數(shù)值模擬方法預(yù)測了地下洞室爆破開挖損傷范圍.劉閩龍等[18]建立了各向異性動態(tài)損傷本構(gòu)模型并將其用于隧道爆破開挖的數(shù)值模擬中，研究了單孔爆破的損傷范圍.Yi等[19]通過理論模型和數(shù)值模擬技術(shù)研究了地應(yīng)力條件下單孔爆破裂紋發(fā)展趨勢.數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為巖石力學(xué)研究中的利器.因此，本文對多次爆破作用下巷道圍巖累積損傷演化與破裂特征進(jìn)行研究.

1 考慮擾動效應(yīng)的時效損傷本構(gòu)模型

1.1 一維時效損傷本構(gòu)模型

在多次爆破開挖后，深部巖體工程可能發(fā)生漸進(jìn)性變形.時效性損傷本構(gòu)模型能有效描述非線性時效變形特征.經(jīng)典的一維Bingham流變模型是由線性彈性元件和理想粘塑性元件串聯(lián)而成，能較好地描述巖石的穩(wěn)態(tài)蠕變階段，但是不能描述減速蠕變階段和加速蠕變階段.深部巷道爆破掘進(jìn)是一個動態(tài)擾動過程，一般在加速蠕變階段前，圍巖就已經(jīng)破壞.

經(jīng)典的一維Bingham流變模型經(jīng)過改進(jìn)后，可描述巖石減速蠕變階段.采用非線性函數(shù)F(t)描述巖石減速蠕變階段[20]，其表達(dá)式為

F(t)=1-e-at.

(1)

式(1)中：a為系數(shù)；t為時間；e為自然常數(shù).

在常應(yīng)力作用下，非線性彈性原件的彈性模量函數(shù)E(t)[21]的表達(dá)式為

圖1 擾動荷載與無擾動荷載作用下巖石應(yīng)變曲線Fig.1 Rock strain curves under disturbance load effect and non-disturbance load

.

(2)

式(2)中：E0為非線性彈性原件的初始彈性模量.

采用非線性函數(shù)，按式(2)改進(jìn)經(jīng)典的一維Bingham流變模型中的彈性元件，得到一個描述巖石減速蠕變階段的模型.蠕變方程為

(3)

式(3)中：ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力；σs為屈服應(yīng)力；η1為粘滯系數(shù).

假設(shè)擾動荷載作用產(chǎn)生應(yīng)變增量，作用期間忽略蠕變變形.擾動荷載與無擾動荷載作用下巖石應(yīng)變曲線，如圖1所示.由圖1可知：在擾動荷載作用期間[22]，巖石產(chǎn)生了較大的無法恢復(fù)的變形，擾動荷載作用引起的應(yīng)變增量遠(yuǎn)大于巖石的時效變形.這意味著巖石內(nèi)部衍生了微裂紋，存在損傷.

為了描述動態(tài)擾動荷載作用過程中的巖石損傷程度，建立一個擾動損傷元件，該元件只在擾動荷載作用時間td內(nèi)起作用，產(chǎn)生的應(yīng)變εR即為擾動荷載作用引起的應(yīng)變增量.擾動荷載每作用一次，巖石內(nèi)部就會產(chǎn)生相應(yīng)的損傷，損傷元件本構(gòu)模型方程為

σ=EdεR(1-D).

(4)

式(4)中：Ed為擾動損傷元件的彈性模量；D為巖石損傷.

不考慮單次擾動施加過程中的損傷變化，損傷變量的微分形式為

(5)

設(shè)ε0是第一次擾動開始加載時的等效應(yīng)變，此時，D=0；εd是最后一次擾動加載結(jié)束后的等效應(yīng)變，此時，D=1.D的表達(dá)式為

D=[(εR-ε0)/(εd-ε0)](εd/εR).

(6)

考慮到爆破損傷只會在爆破過程中產(chǎn)生，因此引入算子K(σd)，保證損傷元件只在爆破荷載擾動過程中產(chǎn)生作用.算子K(σd)表達(dá)式為

(7)

式(7)中：σd為爆破荷載.

每爆破一次都會產(chǎn)生一個應(yīng)變增量，記第n次爆破產(chǎn)生的應(yīng)變增量為εR(n)，引入一個與爆破次數(shù)有關(guān)的衰減函數(shù)F(n)，其表達(dá)式為

F(n)=e-bn.

(8)

式(8)中：n為擾動作用次數(shù)；b為擬合系數(shù).

損傷元件的本構(gòu)模型方程為

(9)

考慮擾動效應(yīng)的時效損傷元件模型，如圖2所示.考慮擾動效應(yīng)的一維時效損傷本構(gòu)模型方程為

圖2 考慮擾動效應(yīng)的時效損傷元件模型Fig.2 Time-dependent damage element model considering disturbance effect

(10)

1.2 三維時效損傷本構(gòu)模型

巖石多處于三維的應(yīng)力狀態(tài)，一維時效損傷本構(gòu)模型難以描述巖石在多向應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變行為，因此，需將式(10)拓展為三維情形.假設(shè)巖石為各向同性體，根據(jù)廣義Hooke定律，彈性元件三維本構(gòu)關(guān)系為

(11)

式(11)中：Si，j為偏應(yīng)力；G為剪切模量；ei，j為偏應(yīng)變；σm為球應(yīng)力；K為體積模量；εm為球應(yīng)變.

分解巖石內(nèi)部的應(yīng)力，得到非線性彈性元件A的應(yīng)變方程為

(12)

在三維應(yīng)力下，巖石體積蠕變近乎為0，三維蠕變方程中不考慮體積蠕變，僅考慮瞬時體積變形，并引入Drucker-Prager準(zhǔn)則描述巖石的屈服，采用相關(guān)聯(lián)的流動法則，即塑性勢函數(shù)(Q)與屈服函數(shù)(F)關(guān)系為Q=F.則F的表達(dá)式為

(13)

式(13)中：I1為應(yīng)力的第1不變量；J2為偏應(yīng)力的第2不變量；ρ，k為Drucker-Prager準(zhǔn)則材料常數(shù).

粘塑性體B的三維本構(gòu)關(guān)系為

(14)

設(shè)擾動損傷元件C中體積變化是彈性的，流變性質(zhì)主要表現(xiàn)在剪切變形方面，即

(15)

三維形式下的損傷(Dt)表達(dá)式為

Dt=[(εRS-ε0S)/(εdS-ε0S)](εdS/εRS).

(16)

式(16)中：εRS，ε0S和εdS均為三維形式下的等效應(yīng)變.

考慮擾動效應(yīng)的三維時效損傷本構(gòu)模型表達(dá)式為

(17)

式(17)中：a為衰減系數(shù)，t為時間.

(a) 巖石試樣 (b) 數(shù)值模型圖3 巖石試樣與數(shù)值模型Fig.3 Rock samples and numerical model

采用LS-DYNA軟件提供材料本構(gòu)模型，二次開發(fā)材料子程序接口User Defined Material.采用Visual Studio 2013軟件，通過Fortran語言編寫材料本構(gòu)模型源程序.采用Parallel Studio XE 2010軟件，將自定義本構(gòu)模型代碼與材料本構(gòu)模型源程序聯(lián)合編譯成動態(tài)鏈接庫文件.為了驗(yàn)證三維時效損傷本構(gòu)模型的合理性和正確性，在ANSYS/LS-DYNA軟件中進(jìn)行仿真模擬.數(shù)值模型以實(shí)際巖樣規(guī)則為準(zhǔn)，巖石試樣的直徑為50 mm，高為100 mm.巖石試樣與數(shù)值模型，如圖3所示.圖3中：三維時效損傷本構(gòu)模型共有3 146個節(jié)點(diǎn)和2 500個單元.

根據(jù)巖石三軸動態(tài)擾動多級加載實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[22]，得到紅砂巖蠕變損傷本構(gòu)模型的參數(shù).考慮擾動效應(yīng)的時效損傷模型參數(shù)如下：非線性彈性元件A的初始彈模為8.85 GPa，泊松比為0.2；粘彈性元件B的彈性元件衰減系數(shù)為35.8，粘彈性元件粘滯系數(shù)為150；損傷元件C的損傷原件剪切模量為10.8 GPa，損傷原件衰減系數(shù)為1.1，初始損傷應(yīng)變與破壞時損傷應(yīng)變差值為0.025.

在有限元模型底部施加Z方向的約束，在有限元模型頂部施加軸向均布荷載43.41 MPa，在側(cè)面施加與三軸壓縮蠕變試驗(yàn)相同的均布徑向荷載0 .待試樣變形趨于平穩(wěn)后，開始施加動態(tài)擾動荷載，擾動荷載的幅值為10 MPa，應(yīng)力條件與實(shí)際三軸壓縮蠕變試驗(yàn)保持一致.

巖石試樣加載模型，如圖4所示.圖4中：σw為圍壓應(yīng)力；σax為軸壓應(yīng)力.軸向應(yīng)變數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比，如圖5所示.

圖4 巖石試樣加載模型 圖5 軸向應(yīng)變數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4 Loading model of rock sample Fig.5 Comparison between axial strain numerical simulation and test results

由圖5可知：軸向應(yīng)變數(shù)值模擬曲線與試驗(yàn)應(yīng)變結(jié)果曲線較為吻合；蠕變模型參數(shù)具有正確性.因此，考慮擾動效應(yīng)的時效損傷本構(gòu)模型在LS-DYNA軟件中二次開發(fā)成功.

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

某地區(qū)礦山巷道巖層主要以紅砂巖為主，致密堅(jiān)硬，巖層性質(zhì)較穩(wěn)定.礦山巷道為圓形斷面，其半徑為2.5 m.大多數(shù)地下工程都涉及無限域或半無限域，而有限元法處理這類問題通常是在有限區(qū)域里進(jìn)行離散.為了使有限元法處理不產(chǎn)生過大的誤差，離散區(qū)域必須有足夠的范圍，并使區(qū)域外邊界條件盡可能接近實(shí)際狀態(tài).考慮巷道爆破影響范圍及“邊界效應(yīng)”的影響，建立的有限元模型尺寸(長×寬×高)為40 m×40 m×50 m，有限元模型采用3D Solid 164實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

圖6 數(shù)值模型Fig.6 Numerical model

由于距離爆源越近的巖體受到的沖擊作用越強(qiáng)烈，所以爆破開挖處的網(wǎng)格加密的模型單元數(shù)為162 475，節(jié)點(diǎn)數(shù)為172 096，最小單元網(wǎng)格尺寸為0.03 m，最大的單元網(wǎng)格尺寸為3.76 m.圓形巷道處于模型中心位置，數(shù)值模型，如圖6所示.圖6中：為了模擬巖體對爆破沖擊波的削弱作用，在模型周圍施加無反射邊界條件.

2.2 地應(yīng)力工況

地應(yīng)力的存在對巷道爆破開挖有很大影響，所以當(dāng)深部巖體進(jìn)行多次爆破模擬時，應(yīng)考慮巖石所受豎直地應(yīng)力的自重應(yīng)力(σv)及水平地應(yīng)力的構(gòu)造應(yīng)力(σh)[23]，構(gòu)造應(yīng)力與自重應(yīng)力比值大多為0.8～1.2[24]，因此，深部巖體的側(cè)壓力系數(shù)λ=1.未來10 a，中國礦產(chǎn)資源多數(shù)在地下2 000 m進(jìn)行開采，地應(yīng)力大約為50 MPa[25].據(jù)此擬定了4種不同地應(yīng)力爆破工況:工況1～4，其地應(yīng)力分別為0，15，30，45 MPa.

(a) 地應(yīng)力 (b)爆破荷載圖7 地應(yīng)力與爆破荷載的施加方式Fig.7 Application method of in-situ stress and blasting load

2.3 爆破荷載的施加

為探明在多次爆破沖擊作用下，不同地應(yīng)力巖體累積損傷演化過程與爆破損傷區(qū)域的擴(kuò)展規(guī)律，首先，對模型施加地應(yīng)力以形成初始應(yīng)力場；然后，在巷道輪廓上施加爆破荷載.地應(yīng)力與爆破荷載的施加方式，如圖7所示.

圖8 爆破荷載示意圖Fig.8 Schematic diagram of blasting load

采用LS-DYNA軟件計算爆破荷載，爆破荷載形式、荷載峰值和作用時間是計算的關(guān)鍵.在爆破開挖時，爆破荷載對巷道輪廓的壓應(yīng)力急劇上升，達(dá)到峰值后又立刻衰減，整個爆破過程都非常迅速、劇烈.在復(fù)雜的巷道爆破工程中，時程曲線一般采用半經(jīng)驗(yàn)半理論的計算公式.

為了方便使用，將Sharpe-Duvall爆破理論中的雙指數(shù)函數(shù)型爆破沖擊荷載進(jìn)一步簡化為三角形荷載，其具有線性上升段和線性下降段，因此具有良好的適用性[26].數(shù)值模擬的加載時間為0.05 s，卸載時間為0.20 s，垂直施加于巷道輪廓面的等效爆破荷載峰值為137 MPa.爆破荷載示意圖，如圖8所示.

2.4 數(shù)值計算結(jié)果及分析

通過重啟動技術(shù)實(shí)現(xiàn)多次爆破沖擊波的施加，采用關(guān)鍵字“*STRESS_INITIALIZATION”實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、損傷等參數(shù)的繼承，計算5次爆破荷載作用下深部巷道圍巖累積損傷效應(yīng).

2.4.1 圍巖累積損傷效應(yīng) 根據(jù)SL 47-2020《水工建筑物巖石地基開挖施工技術(shù)規(guī)范》[27]，當(dāng)巖石損傷達(dá)到0.19，即判定圍巖受到爆破損傷.假設(shè)開挖時未爆破，圍巖無損，即初始損傷(D0)為0.采用LS-PrePost軟件提取多次爆破后圍巖的損傷云圖(圖9)，并分析其損傷演化過程.

(a) 工況2第1次爆破 (b) 工況2第2次爆破 (c) 工況2第5次爆破

(d) 工況4第1次爆破 (e) 工況4第2次爆破 (f) 工況4第5次爆破圖9 不同工況下爆破損傷云圖Fig.9 Blasting damage cloud diagrams under different working conditions

由圖9可知：在地應(yīng)力與巷道爆破荷載耦合作用下，圍巖產(chǎn)生了一定范圍的損傷；同一地應(yīng)力狀態(tài)下，巷道爆破損傷范圍隨著爆破次數(shù)的增加而擴(kuò)大；圍巖損傷程度隨爆破次數(shù)增加而增加；距離巷道輪廓越近，圍巖損傷程度越大，這是因?yàn)槌跏嫉谋_擊波直接作用于巷道圍巖導(dǎo)致巖體力學(xué)性質(zhì)急速劣化，巖體內(nèi)部裂紋快速萌生與發(fā)展，爆炸沖擊波對中遠(yuǎn)區(qū)巖體作用減小.

為了探討多次爆破荷載作用下爆破損傷范圍變化特征，分別提取了每次爆破后圍巖累積損傷值為0.19的位置，并測定了與巷道輪廓的距離.不同地應(yīng)力下?lián)p傷范圍，如圖10所示.圖10中：s為爆破損傷.由圖10可知：在較大地應(yīng)力、相同爆破次數(shù)下，巷道爆破損傷范圍明顯小于較小地應(yīng)力的損傷范圍，爆破損傷范圍隨著地應(yīng)力增加而減小.

當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ=1時，在圓形巷道形成對稱分布的環(huán)向壓應(yīng)力場，環(huán)向壓應(yīng)力場與爆破應(yīng)力波方向相反，在爆破過程中壓應(yīng)力場消耗大量爆破能量，削弱了爆破應(yīng)力波對圍巖的沖擊作用.由于形成微裂紋的能量大幅度減少，所以裂隙的擴(kuò)展被抑制.地應(yīng)力越大，對爆破荷載的削弱作用越強(qiáng)，圍巖內(nèi)部裂紋長度與數(shù)量也會相應(yīng)減少，地應(yīng)力對圍巖損傷演化起到抑制作用，因此，爆破損傷范圍也會減小.

不僅較大地應(yīng)力的爆破損傷范圍小于較小地應(yīng)力的爆破損傷范圍，而且每次爆破損傷范圍的增量也更小.當(dāng)?shù)貞?yīng)力為0時，在相同爆破次數(shù)下，爆破損傷范圍的增量明顯大于地應(yīng)力為15，30，45 MPa的爆破損傷范圍增量；當(dāng)?shù)貞?yīng)力為30，45 MPa時，第2次爆破后損傷范圍為0，其原因是地應(yīng)力的抑制作用使圍巖的損傷程度未達(dá)到0.19.由此可見，爆破損傷隨著地應(yīng)力的增加呈非線性減小.

為了研究不同地應(yīng)力下的巷道圍巖累積損傷變化特征，在數(shù)值模擬結(jié)果中提取了巷道輪廓頂部單元損傷值.不同地應(yīng)力下爆破累積損傷結(jié)果，如圖11所示.由圖11可知：圍巖損傷程度隨著爆破次數(shù)的增加而增加，呈現(xiàn)一種階梯式增加趨勢，但是每級階梯的高度(每次爆破損傷增量)隨著爆破次數(shù)的增加而降低，表明在多次爆破荷載作用下，巷道圍巖損傷具有非線性累積特性；由于地應(yīng)力抑制巖體內(nèi)部微裂紋的萌生、擴(kuò)展與貫通，圍巖損傷程度隨著地應(yīng)力的增加而減小，特別是在多次爆破荷載作用下，地應(yīng)力的抑制作用越明顯.

圖10 不同地應(yīng)力下?lián)p傷范圍 圖11 不同地應(yīng)力下爆破累積損傷結(jié)果 Fig.10 Damage zone under different in-situ stresses Fig.11 Cumulative damage results of blasting under different in-situ stresses

爆破損傷增量，如圖12所示.圖12中：ΔD為巖石損傷增量.由圖12可知：每次爆破產(chǎn)生的損傷增量并不一樣，損傷增量隨爆破次數(shù)n的增加而減小，與爆破擾動次數(shù)呈現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系.抑制系數(shù)(ξ)與地應(yīng)力的關(guān)系，如圖13所示.

圖12 爆破損傷增量 圖13 抑制系數(shù)與地應(yīng)力的關(guān)系 Fig.12 Blasting damage increment Fig.13 Relationship between restraining coefficient and in-situ stress

單次爆破損傷增量隨著爆破擾動次數(shù)n呈指數(shù)衰減形式，引入地應(yīng)力抑制系數(shù)ξσ，其表示地應(yīng)力對爆破損傷的影響.損傷增量(ΔD)表達(dá)式為

ΔD(σ)=(1-ξσ)αe-βn

(18)

式(18)中：α，β為擬合參數(shù).當(dāng)?shù)貞?yīng)力為0時，地應(yīng)力對損傷無影響，ξσ=0；當(dāng)?shù)貞?yīng)力為無窮大時，地應(yīng)力抑制系數(shù)ξσ=1，表示完全抑制爆破損傷.地應(yīng)力抑制系數(shù)ξσ表達(dá)式為

ξσ=1-[(e-μσ+ν)/σ].

(19)

式(19)中：μ，ν為擬合參數(shù).

利用MATLAB軟件進(jìn)行全局?jǐn)M合，得到損傷增量函數(shù)為

ΔD(σ)=[28.604 1(1-e-0.034 96σ)/σ]×0.360 87e-0.467 78n.

(20)

此時，地應(yīng)力抑制系數(shù)ξσ表達(dá)式為

ξσ=1-[28.604 1(1-e-0.034 96σ)]/σ.

(21)

2.4.2 圍巖破裂分析 為了研究爆破過程中的巷道破裂特征，進(jìn)行模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬.通過地下工程三維模型試驗(yàn)系統(tǒng)模擬爆破開挖過程，地下工程三維模型的尺寸(長×寬×高)為1 500 mm×2 000 mm×1 500 mm；巷道半徑為100 mm；填筑材料為砂漿混凝土；材料質(zhì)量(m)比為m(細(xì)砂)∶m(硅酸鹽水泥)∶m(石膏)∶m(重晶石粉)∶m(水)=8.0∶0.2∶0.5∶0.3∶1.0(m為質(zhì)量)[28].在水中加入質(zhì)量濃度為1%的緩凝劑硼砂.地下工程三維模型，如圖14所示.

爆破進(jìn)尺為0.1 m，在隧道掌子面預(yù)埋炮孔，采用非炸藥柱狀藥卷模擬炸藥，實(shí)施電火花爆破.采用LS-DYNA軟件建立數(shù)值模型，在K文件中添加關(guān)鍵字“*MAT_ADD_EROSION”，模擬巷道爆破開挖過程中巖體破裂過程.電火花爆破裝置，如圖15所示.

圖14 地下工程三維模型 圖15 電火花爆破裝置 Fig.14 3D model of underground engineering Fig.15 Electric spark blasting device

(a) 模型試驗(yàn) (b) 數(shù)值模擬圖16 模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬Fig.16 Model test and numerical simulation

模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬，如圖16所示.由圖16可知以下4點(diǎn)結(jié)論.

1) 在多次爆破荷載作用下，巷道頂部與兩側(cè)有明顯巖體破裂痕跡，頂部有部分巖塊剝落，巖體裂紋形成階段主要有微觀裂紋階段和宏觀裂紋階段.

2) 在多次爆破荷載作用下，巷道圍巖發(fā)生變形，巖體中的微小裂隙隨機(jī)形成，彼此獨(dú)立.微小裂隙對巖體力學(xué)性能影響微小，巖體損傷處于較低水平，因此，對巖體承載能力影響較小.

3) 隨著圍巖持續(xù)變形及圍巖損傷程度的增加，裂紋數(shù)量和擴(kuò)展速率都增加，巖體損傷累積效應(yīng)顯現(xiàn)，從微觀破壞向宏觀破壞過渡，裂紋的產(chǎn)生和演化從隨機(jī)變?yōu)橛行?，巷道圍巖上出現(xiàn)數(shù)條較大的主裂紋，圍巖表面的開裂與剝落對巷道圍巖力學(xué)性能的影響也在逐漸增大.

4) 圍巖表面因受拉破壞而破裂[29-30].爆破荷載垂直作用于巷道壁上，爆破應(yīng)力波是一個快速加載、卸載的過程.在多次爆破荷載作用下，圍巖強(qiáng)烈地壓縮，巷道周圍巖體積蓄了部分彈性變形能.在卸載階段，壓力迅速降低，達(dá)到一定程度時，巖石內(nèi)部積蓄的彈性變形能快速釋放，轉(zhuǎn)變?yōu)樾遁d波，爆破荷載對巖體的作用由壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)槔欤?dāng)拉伸超過一定的強(qiáng)度時，巖石拉裂形成裂紋[31].

模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果共同揭示了在多次爆破荷載作用下的圍巖破裂演化機(jī)制，這將有助于深部巷道爆破開挖施工安全理論的發(fā)展.

3 結(jié)論

建立了考慮擾動效應(yīng)的時效損傷本構(gòu)模型，在LS-DYNA軟件中實(shí)現(xiàn)本構(gòu)模型的二次開發(fā)，通過數(shù)值模擬研究了不同地應(yīng)力下巷道圍巖爆破損傷演化特征與圍巖破裂特征，得到了以下3個結(jié)論.

1) 在地應(yīng)力與多次爆破擾動荷載耦合作用下，距離巷道輪廓越近，圍巖損傷程度越大；爆破損傷范圍隨著地應(yīng)力的增加呈非線性減小；地應(yīng)力越大，抑制作用越明顯.

2) 在多次爆破荷載作用下，巷道圍巖損傷具有非線性累積特性.隨著爆破作用次數(shù)的增加，圍巖損傷階梯式增加，但每次爆破損傷增量減小，地應(yīng)力對巷道圍巖損傷的抑制作用更加明顯.

3) 在多次爆破荷載作用下，巷道頂部與兩側(cè)有明顯巖體破裂痕跡，頂部有部分巖塊剝落，巷道圍巖上出現(xiàn)數(shù)條較大的主裂紋，圍巖表面的開裂與剝落對巷道圍巖力學(xué)性能的影響也在逐漸增大.