喀斯特地質(zhì)條件下溶洞對(duì)彈性波傳播的影響規(guī)律研究

岳夢(mèng)蕾，劉光漢，余紅兵

(貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550002)

喀斯特地質(zhì)條件下溶洞對(duì)彈性波傳播的影響規(guī)律研究

岳夢(mèng)蕾，劉光漢，余紅兵

(貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550002)

巖體自由面是造成地震動(dòng)力響應(yīng)得以放大的重要因素，研究自由面放大效應(yīng)對(duì)于存在溶洞情況下爆破工程的動(dòng)力分析具有重要意義。采用彈性波動(dòng)力學(xué)，輔以數(shù)值模擬手段，研究了應(yīng)力波作用下單自由面、雙自由面對(duì)應(yīng)力波的放大作用。對(duì)于地下工程中復(fù)雜自由面(溶洞)，借助于數(shù)值模擬，研究了溶洞幾何形狀、襯砌對(duì)應(yīng)力波的作用，并根據(jù)彈性理論進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析。研究結(jié)果表明：不同形狀的溶洞對(duì)應(yīng)力波均有應(yīng)力集中作用，地震荷載作用下，城門洞形、矩形、圓形3種斷面形狀對(duì)溶洞位移響應(yīng)的變化規(guī)律以圓形溶洞的位移響應(yīng)最小，矩形溶洞位移響應(yīng)最大，隨著溶洞埋深的增大而應(yīng)力作用影響減少，相對(duì)位移增加。

溶洞；應(yīng)力波；自由面放大效應(yīng)；動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

爆破地震波在完整巖體內(nèi)傳播可以視為彈性波，爆破地震波的非線性特征主要體現(xiàn)在斷層、節(jié)理等巖體軟弱面位置。巖體弱面尤其是出現(xiàn)溶洞情況下的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題是一項(xiàng)涉及復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程的熱點(diǎn)課題，研究各類巖體弱面波動(dòng)效應(yīng)無(wú)疑具有重要的理論和工程意義，是探索動(dòng)態(tài)荷載作用下節(jié)理巖體變形破壞機(jī)理及動(dòng)力作用機(jī)制最基本、最重要的基礎(chǔ)。相關(guān)學(xué)者對(duì)巖體弱面如裂隙、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸應(yīng)力波傳播的影響作出了諸多研究，并總結(jié)出相應(yīng)的影響規(guī)律[1-4]，但對(duì)巖體缺陷如溶洞對(duì)應(yīng)力波的傳播影響研究甚少，本文研究不同溶洞工況對(duì)爆炸應(yīng)力波傳播影響，并利用數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行總結(jié)分析，研究成果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同溶洞工況下的爆破生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 爆炸應(yīng)力波傳播基本原理[5]

按照爆炸應(yīng)力傳播性質(zhì)的分類不同，基本可以分為縱波(P波)、橫波(S波)，其中，橫波又分平面內(nèi)橫波(SV波)、平面外橫波(SH波)。橫波(SH波)是垂直于入射面的水平振動(dòng)，位移在水平面內(nèi)，反射和折射后不改變?cè)駝?dòng)的性質(zhì)?？v波(P波)、和平面內(nèi)橫波(SV波)的質(zhì)點(diǎn)位移均位于入射面內(nèi)，一定條件下二者可以相互轉(zhuǎn)換(見圖1)。縱波(P波)傳播的區(qū)域內(nèi)，巖石發(fā)生膨脹和壓縮，橫波(S波)傳播區(qū)域內(nèi)，巖體內(nèi)發(fā)生切變，當(dāng)未遭遇巖體面時(shí)，縱波(P波)、橫波(S波)可看作在無(wú)限介質(zhì)內(nèi)傳播。當(dāng)遭遇巖體面時(shí)，根據(jù)形成的條件和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡不同會(huì)生成面波，如Rayleigh波、Love波等。面波都是由體波在波阻抗界面上疊加而轉(zhuǎn)化來(lái)的，它們的主要特點(diǎn)之一是傳播速度隨周期不同而變化(稱為頻散現(xiàn)象)。

當(dāng)這些基本類型的波傳播至巖體軟弱面時(shí)，不僅發(fā)生波場(chǎng)的分解，還可改變振動(dòng)的性質(zhì)。由于P波和SV波是爆破地震波構(gòu)成的基礎(chǔ)，同時(shí)也是構(gòu)成面波的元素，因此在研究彈性波穿越巖體弱面波動(dòng)效應(yīng)時(shí)均采用縱波(P波)和平面內(nèi)橫波(SV波)。

圖1 P波、SV波、SH波振動(dòng)關(guān)系

天然邊坡、地表、溶洞等構(gòu)成的自由面是由成千上萬(wàn)個(gè)單自由面共同構(gòu)成，在此以幾種幾何形式的溶洞自由面研究復(fù)雜自由面相互作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

溶洞的自由面規(guī)模一般較小、形狀復(fù)雜，目前尚沒有完善的理論解。但受圍巖的約束作用，在地震動(dòng)力作用過(guò)程中與地表自由面的動(dòng)力響應(yīng)差異很大。動(dòng)力作用仍然可以通過(guò)模擬彈性波在這些幾何邊界上的反射、折射、繞射，得到不同因素影響下的動(dòng)力響應(yīng)，其規(guī)律仍符合彈性波的傳播。

2 應(yīng)力波傳播過(guò)程的數(shù)值模擬

目前的研究資料表明，在地震荷載作用下，溶洞的動(dòng)力響應(yīng)主要受深度、溶洞形狀、地應(yīng)力分布的影響，因此數(shù)值模擬重點(diǎn)在于探討這些因素的影響。溶洞周圍巖體參數(shù)如下：

荷載采用正弦速度波時(shí)程v=Asin(2πft)。最大振幅A取0.1 m/s；周頻率f=1 Hz；持續(xù)時(shí)間取1 s，邊界條件視具體情況采用粘滯邊界(無(wú)反射邊界)或自由邊界。

表1 石灰?guī)r巖體動(dòng)參數(shù)

為了避免由于加速度-速度-應(yīng)力轉(zhuǎn)換過(guò)程中頻譜造成的頻移，在模型的底部直接施加0.1 MPa的應(yīng)力。

3 復(fù)雜自由面(溶洞)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響

3.1 溶洞幾何形狀對(duì)應(yīng)力波傳播影響分析

在靜態(tài)工況下，巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)巖體不同區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)在靜態(tài)荷載作用下處于平衡狀態(tài)。而爆破地震波的傳播，在巖體內(nèi)產(chǎn)生的是強(qiáng)度不同的動(dòng)應(yīng)力撓動(dòng)，這種波動(dòng)力疊加到靜態(tài)荷載上，使得巖體存在兩種可能：一是處于新的平衡態(tài)，一是趨向不平衡。因此，研究這種動(dòng)應(yīng)力的大小對(duì)于搞清爆破中溶洞對(duì)波傳播影響的程度是非常有意義的。

不同溶洞幾何形狀下最大及最小動(dòng)主應(yīng)力等值線表明，無(wú)論采用哪種幾何形狀，構(gòu)成溶洞幾何的自由面交點(diǎn)首先會(huì)存在程度不同的應(yīng)力集中，且隨著動(dòng)荷載作用時(shí)間不斷變化，與自由面交點(diǎn)容易造成波振動(dòng)強(qiáng)度增大是相符的(見圖2、圖3)。因此，不同溶洞幾何下地震荷載的作用仍屬于應(yīng)力波自由面效應(yīng)范疇。

3.2 溶洞形狀對(duì)溶洞位移的影響

為了分析不同斷面形狀下的位移響應(yīng)，數(shù)值分析中，取圓形、城門洞形和矩形3種斷面溶洞形式。

圖2 圓形溶洞P、SV波作用最大(小)主應(yīng)力分布規(guī)律

圖3 矩形溶洞P、SV波作用最大(小)主應(yīng)力分布規(guī)律

城門洞形斷面上部為12.5 m的半圓，下部為25 m×12.5 m的矩形；矩形斷面為25 m×25 m的矩形，圓形斷面為半徑為12.5 m的圓。3種模型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同，分別為頂板中點(diǎn)，底板中點(diǎn)，拱肩(矩形與半圓交界點(diǎn))。

不同埋深情況下，城門洞形、矩形、圓形3種斷面形狀對(duì)溶洞位移響應(yīng)的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，地震荷載作用下，3種斷面形狀下以圓形溶洞的位移響應(yīng)最小，矩形溶洞位移響應(yīng)最大(見圖4)。隨埋深的增加，3種斷面對(duì)溶洞響應(yīng)影響的程度都減小，當(dāng)埋深超過(guò)300 m后，形狀對(duì)溶洞影響程度減小。因此淺埋隧洞情況下形狀對(duì)溶洞的影響較埋深影響明顯。不同高跨比下的隧洞引起的振動(dòng)位移并不相同，而是存在最佳的高跨比，此時(shí)頂拱與底板位移接近，相對(duì)位移更小。

圖4 不同隧洞形狀拱頂位移

3.3 埋深對(duì)溶洞變形的影響分析

地下溶洞的變形規(guī)律不僅受溶洞幾何形狀自由面的影響，通常還受地表自由面的共同作用。溶洞上覆覆蓋層的厚度(埋深)，往往是決定溶洞動(dòng)力響應(yīng)的決定性因素。

埋深對(duì)巖體溶洞動(dòng)力響應(yīng)的影響包含兩個(gè)方面，一是上覆巖體自重的作用，一是地表自由面的散射作用。巖體自重可以視為巖體初始應(yīng)力場(chǎng)，在彈性波影響范圍內(nèi)可不考慮。荷載分別采用0.1 MPa的P波、SV波，以城門洞形隧洞為例分析取4種埋深(地表到溶洞頂板的垂直距離)50 m，100 m，200 m，400 m分別進(jìn)行研究。巖體溶洞動(dòng)力響應(yīng)影響時(shí)上邊界采用自由邊界，其它邊界采用粘滯邊界。

從圖7～圖8可以看出，在同一地震荷載作用下，不同點(diǎn)的絕對(duì)振動(dòng)量隨著距離自由面的距離(埋深)增加明顯減小，溶洞內(nèi)壁的相對(duì)位移卻增加?，F(xiàn)有震害資料中統(tǒng)計(jì)出的地震破壞隨埋深的減小而增大，實(shí)際上正是由于彈性波傳播的自由面效應(yīng)造成的。

圖5 P波作用不同埋深溶洞內(nèi)壁絕對(duì)位移

圖6 P波作用不同埋深溶洞內(nèi)壁振動(dòng)相對(duì)位移

圖7 SV波溶洞內(nèi)壁各點(diǎn)振動(dòng)絕對(duì)位移

圖8 SV波作用下溶洞內(nèi)壁最大相對(duì)位移

4 結(jié) 論

利用ANSYS/LS-DYNA，對(duì)不同形狀、不同埋深、不同大小的溶洞對(duì)爆炸應(yīng)力波傳播影響效果進(jìn)行了模擬分析，得出了爆炸應(yīng)力波以爆炸點(diǎn)為起點(diǎn)，隨著傳播距離的增大，埋深的增加而逐漸衰減，溶洞對(duì)爆炸應(yīng)力波的傳播有應(yīng)力集中作用；同時(shí)，城門洞形、矩形、圓形3種斷面形狀對(duì)溶洞位移響應(yīng)的變化規(guī)律以圓形溶洞的位移響應(yīng)最小，矩形溶洞位移響應(yīng)最大。研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)喀斯特地質(zhì)條件下溶洞發(fā)育地區(qū)的爆破施工具有一定的參考意義，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需結(jié)合具體的工況，在保證安全生產(chǎn)的前提下，確定溶洞爆破施工的具體工況，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的爆破施工效果。

[1]李新平,趙 航,羅 憶,等.深部裂隙巖體中彈性波傳播與衰減規(guī)律試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(11)：2319-2326.

[2]李 昂,張麗艷.裂縫介質(zhì)彈性波場(chǎng)數(shù)值模擬及波場(chǎng)特征[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2016,35(2)：127-133.

[3]張志禹,樊 婷,王喜樂.孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)地震各類波傳播的影響研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2015,30(12)：1306-1317.

[4]徐向宇,姚邦華,魏建平,等.煤層預(yù)裂爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律及增透機(jī)理模擬研究[J].爆破,2016,33(2)：32-38.

[5]宋 林，邵珠山，吳敏哲.應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播特性探析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(S2)：241-246.

2017-04-15)

岳夢(mèng)蕾(1971-)，貴州貴陽(yáng)人，工程師，從事爆破事業(yè)管理工作，Email：602574716@qq.com。