爆生氣體對(duì)鄰近硐室背爆側(cè)預(yù)制裂紋影響機(jī)理

郭東明，劉　康，胡久羨，楊仁樹(shù)，袁保森，趙曉娜

( 1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京　100083；2．深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100083)

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爆生氣體對(duì)鄰近硐室背爆側(cè)預(yù)制裂紋影響機(jī)理

郭東明1,2，劉康1，胡久羨1，楊仁樹(shù)1,2，袁保森1，趙曉娜1

( 1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083；2．深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

摘要:采用動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)方法，研究爆炸荷載作用下鄰近硐室背爆側(cè)裂紋擴(kuò)展規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，伴隨爆生氣體釋放出現(xiàn)的弧線型應(yīng)力集中區(qū)是爆生氣體引起的主應(yīng)力差峰值位置，與背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展有較大的關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)研究表明：炸藥爆炸后，產(chǎn)生的應(yīng)力波首先作用于硐室背爆側(cè)裂紋，隨后爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力作用于裂紋，對(duì)裂紋的擴(kuò)展起主要作用，而卸載波主要作用于裂紋擴(kuò)展后期，使裂紋出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)接近擴(kuò)展中的裂紋時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度達(dá)到峰值，約等于弧線型應(yīng)力集中區(qū)的移動(dòng)速度，之后，裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)的相對(duì)距離基本不變，當(dāng)該應(yīng)力集中區(qū)越過(guò)裂紋尖端，裂紋擴(kuò)展速度逐漸減小，最終止裂。裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋擴(kuò)展速度具有相似的變化規(guī)律，峰值動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子出現(xiàn)在弧線型應(yīng)力集中區(qū)越過(guò)裂紋尖端之前?；谠摪l(fā)現(xiàn)進(jìn)行的研究證實(shí)了爆生氣體對(duì)鄰近巷道裂紋擴(kuò)展的主導(dǎo)作用，深化了爆炸荷載對(duì)鄰近巷道影響機(jī)理的研究。

關(guān)鍵詞:爆生氣體；鄰近硐室；背爆側(cè)裂紋；擴(kuò)展機(jī)理

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵隧道工程進(jìn)入蓬勃發(fā)展期。在隧洞開(kāi)挖中，盡管機(jī)械開(kāi)挖已取得較大進(jìn)展[1]，但鉆爆法以其成熟技術(shù)及簡(jiǎn)便施工仍被廣泛應(yīng)用，而隧道普遍的雙線平行布置使鄰近隧道爆破開(kāi)挖引起既有隧道擾動(dòng)損傷[2]。尤其巷道圍巖中存在各種缺陷時(shí)，損傷更加嚴(yán)重，如裂紋相互貫穿，產(chǎn)生局部的剝落，本來(lái)擾動(dòng)較小的鄰近巷道背爆側(cè)裂紋缺陷處出現(xiàn)較大的裂紋擴(kuò)展等，甚至誘發(fā)巖爆[3-5]。

鄰近硐室爆破開(kāi)挖對(duì)既有硐室的影響與爆破破壞參數(shù)關(guān)聯(lián)較大，但由于巖石爆破破壞的瞬時(shí)性，無(wú)論采用理論計(jì)算還是試驗(yàn)方法，都難以得到相關(guān)參數(shù)；當(dāng)前，針對(duì)巖石爆破破碎機(jī)理提出的3種假說(shuō)仍有待進(jìn)一步深化[6]。因此，在爆破荷載對(duì)鄰近硐室擾動(dòng)影響的研究中，采用的爆破荷載大多根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。如劉慧[7-8]、吳亮[9-10]、畢繼紅等[11]采用ANSYS軟件，結(jié)合實(shí)測(cè)值，將爆破荷載曲線簡(jiǎn)化為三角形曲線，并將爆炸荷載以壓力形式均勻分布于孔壁上，模擬鄰近硐室爆破開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響，分析硐室質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、加速度和硐室周邊應(yīng)力場(chǎng)。另外，為了便于理論分析，劉殿魁[12]、蓋秉政[13]等基于波動(dòng)力學(xué)理論，將鄰近硐室爆破對(duì)既有硐室的影響假設(shè)為半無(wú)限介質(zhì)中爆炸應(yīng)力波在孔洞周邊繞射引起的動(dòng)應(yīng)力集中，分析了彈性波在孔洞處的繞射問(wèn)題。

上述的分析將爆炸荷載對(duì)鄰近硐室的影響簡(jiǎn)化為爆炸應(yīng)力波作用于鄰近硐室，重點(diǎn)分析了鄰近硐室的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。而一些學(xué)者基于爆生氣體和應(yīng)力波綜合作用理論，對(duì)爆破破巖機(jī)理進(jìn)行了深入探討。趙新濤[14]采用BCM模型分析了爆生氣體對(duì)巖體裂隙擴(kuò)展的影響，并得出炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用形成了孔壁附近的粉碎圈，爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力作用使原有裂隙擴(kuò)展和新裂隙形成。李寧[15]采用動(dòng)態(tài)接觸界面模型分析了爆生氣體對(duì)裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)作用，得出爆生氣體主要作用與壓裂過(guò)程。褚懷保等[16]通過(guò)模擬試驗(yàn)認(rèn)為煤體中的爆破損傷是爆炸沖擊波或應(yīng)力波、爆生氣體和瓦斯氣體綜合作用的結(jié)果。爆炸沖擊波主要作用于近區(qū)，爆生氣體和瓦斯氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)作用于中遠(yuǎn)區(qū)。

筆者采用新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)方法[17]，探究爆炸荷載對(duì)鄰近硐室影響問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)，伴隨著炸藥爆炸產(chǎn)生的爆生氣體釋放，出現(xiàn)弧線型的應(yīng)力集中區(qū)，并向鄰近巷道一側(cè)移動(dòng)，該弧線型集中區(qū)與背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展有較大關(guān)聯(lián)。本文結(jié)合上述現(xiàn)象，基于爆生氣體和應(yīng)力波綜合作用理論，對(duì)爆生氣體作用下鄰近硐室背爆側(cè)裂紋缺陷的擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了分析，進(jìn)一步深化了鄰近硐室爆破開(kāi)挖對(duì)既有硐室影響機(jī)理的研究。

1實(shí)驗(yàn)原理及模型設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)原理

新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[18]基于動(dòng)態(tài)焦散線方法，可記錄下爆炸荷載作用下裂紋擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程以及擴(kuò)展過(guò)程中每一時(shí)刻裂紋尖端產(chǎn)生的焦散斑——裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)域的復(fù)雜變形狀態(tài)通過(guò)光學(xué)的幾何映射關(guān)系轉(zhuǎn)換成的陰影光學(xué)圖形，通過(guò)焦散斑的直徑測(cè)量，可確定每一時(shí)刻裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子。動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)大小呈正相關(guān)，反映了裂紋尖端應(yīng)力集中程度的大小，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子公式[19]為

(1)

1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，減小實(shí)驗(yàn)離散度，需要選用均質(zhì)、各向同性材料，以避免材料的非均質(zhì)性和各向異性引起誤差；實(shí)驗(yàn)采用透射式動(dòng)態(tài)焦散線系統(tǒng)，要求實(shí)驗(yàn)材料高透光率；為了便于觀察實(shí)驗(yàn)，要求材料具有一定塑性，綜上選用有機(jī)玻璃作為模型材料。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?guī)格為300 mm×300 mm×5 mm，板中部加工貫穿的直墻拱形孔洞，孔洞下部斷面形狀為40 mm×20 mm的半矩形，上部斷面形狀為半徑20 mm的半圓拱，以此模擬鄰近硐室。在孔洞左邊加工炮孔，炮孔直徑為6 mm，炮孔內(nèi)裝入160 mg疊氮化鉛單質(zhì)炸藥，以此模擬鄰近硐室鉆爆法施工。

通過(guò)初步試驗(yàn)探究，確定裂紋相關(guān)參數(shù)，具體如下。裂紋傾角：當(dāng)裂紋傾角為30°時(shí)，裂紋擴(kuò)展位移最大，隨傾角增大或減小，裂紋擴(kuò)展位移均逐漸減小[3]，為了簡(jiǎn)化分析，選擇裂紋傾角為水平方向。裂紋的長(zhǎng)度：隨預(yù)制裂紋長(zhǎng)度增大，裂紋擴(kuò)展位移逐漸增大，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度大于5 mm后，裂紋擴(kuò)展位移逐漸減小[4]，為了保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，便于實(shí)驗(yàn)分析，最終選擇預(yù)制裂紋長(zhǎng)度m為5 mm。裂紋顯隱性：隨裂紋與硐室間距增大，裂紋擴(kuò)展逐漸減小，當(dāng)裂紋與硐室間距為5 mm時(shí)，裂紋基本未擴(kuò)展。最終選定裂紋與硐室間距n為4 mm。隨爆源與硐室間距增大，爆炸荷載對(duì)鄰近硐室背爆側(cè)裂紋缺陷影響先增大后減小，其中，當(dāng)爆源與硐室間距為45 mm時(shí)，背爆側(cè)裂紋缺陷擴(kuò)展最為明顯。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，為了防止爆生氣體釋放，在脫脂棉和膠帶密封炮孔的基礎(chǔ)上，用鐵制薄圓柱體夾具夾住炮孔兩側(cè)，并在夾具上加工環(huán)形凹槽，用O型橡皮圈填塞，可盡量保證爆生氣體絕大部分作用于孔壁。圖1為模型示意圖。

圖1　模型加工示意Fig.1　Schematic diagram of model processing

2背爆側(cè)裂紋擴(kuò)展機(jī)理過(guò)程分析

圖2是相同條件下模擬爆炸荷載作用下鄰近硐室背爆側(cè)裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為的實(shí)驗(yàn)圖片，從圖中可看出，爆炸荷載作用下，鄰近孔洞的破壞形態(tài)基本相同，分為炮孔處的粉碎區(qū)、孔洞迎爆側(cè)的裂紋擴(kuò)展區(qū)、孔洞背爆側(cè)預(yù)制裂紋處的裂紋擴(kuò)展和背爆側(cè)底角位置的裂紋擴(kuò)展。由于圖2(a)和2(b)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的相似性，因此，后續(xù)的分析以圖2(b)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行。

圖2　爆炸荷載對(duì)鄰近硐室影響實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果Fig.2　Final test result of blast load effect on neighboring tunnel

圖3為高速攝影儀采集的爆炸荷載作用下背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展過(guò)程圖片，通過(guò)系列圖片分析，可清楚地了解裂紋的擴(kuò)展機(jī)理。

當(dāng)炸藥起爆后，沖擊波壓力遠(yuǎn)大于孔壁動(dòng)抗壓強(qiáng)度，在炮孔周邊形成粉碎區(qū)，衰減后形成的應(yīng)力波向周?chē)焖賯鞑?，通過(guò)30～50 μs的圖片可清晰地看到隨應(yīng)力波傳播出現(xiàn)的環(huán)狀應(yīng)力集中區(qū)，且可看到巷道自由面處應(yīng)力集中區(qū)向背爆側(cè)轉(zhuǎn)移，當(dāng)t=70 μs時(shí)，應(yīng)力波繞射傳播到預(yù)制裂紋處，并作用于裂紋尖端，越過(guò)尖端的應(yīng)力波引起沿水平方向的切應(yīng)力，尖端反射的應(yīng)力波引起反射拉伸應(yīng)力[20]，尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中，形成奇異區(qū)—焦散斑，但由于未超過(guò)動(dòng)態(tài)斷裂韌度，預(yù)制裂紋未起裂。當(dāng)t=90 μs時(shí)，充滿炮孔的爆生氣體通過(guò)粉碎圈釋放，當(dāng)t=130 μs時(shí)，可看到圍繞爆生氣體出現(xiàn)明顯的弧線型的應(yīng)力集中區(qū)，這主要是部分爆生氣體以脈沖荷載形式[15]作用于孔壁，炮孔周邊主應(yīng)力差增大達(dá)到峰值引起。該應(yīng)力集中區(qū)由于脈沖荷載的波動(dòng)性而逐漸移動(dòng)，如圖3所示。t=110～150 μs時(shí)，主應(yīng)力差峰值位置接近預(yù)制裂紋，預(yù)制裂紋尖端的焦散斑逐漸變大，當(dāng)t=170 μs時(shí)，裂紋起裂，之后，伴隨著弧線型應(yīng)力集中區(qū)的靠近，裂紋快速擴(kuò)展。當(dāng)t=310 μs時(shí)，弧線型應(yīng)力集中區(qū)追趕上擴(kuò)展中的裂紋，且由于卸載波產(chǎn)生的徑向拉應(yīng)力作用越來(lái)越明顯，裂紋向下翹曲。之后，隨著弧線型應(yīng)力集中區(qū)的遠(yuǎn)離，裂紋止裂。上述現(xiàn)象與宗琦[21]、趙新濤等[14]通過(guò)理論和數(shù)值分析得到的結(jié)論相同，即炸藥爆炸后，首先作用于巖石的是沖擊波和應(yīng)力波，形成炮孔周?chē)姆鬯閰^(qū)和微裂隙區(qū)，隨后,爆生氣體迅速膨脹充滿炮孔并以脈沖荷載形式作用于孔壁。從上述的分析可看出，背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展是爆炸產(chǎn)生的沖擊波、爆生氣體形成的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)和卸載波綜合作用的結(jié)果。爆炸應(yīng)力波主要作用于背爆側(cè)裂紋擴(kuò)展前，爆生氣體作用于裂紋擴(kuò)展的全過(guò)程，對(duì)背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展起主要作用，而卸載波主要作用于裂紋擴(kuò)展后期，使裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生偏離，出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象[22]。

3爆生氣體作用下背爆側(cè)裂紋擴(kuò)展機(jī)理分析

3.1裂紋擴(kuò)展機(jī)理運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖3　爆炸荷載作用于鄰近巷道Fig.3　Explosion loads acting on the adjacent tunnels

圖4　裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)相對(duì)距離及其速度隨時(shí)間變化曲線Fig.4　Relative distance between crack tip and arc type stress concentration region and velocity changing curve with time

圖4中縱坐標(biāo)D表示擴(kuò)展中裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)的相對(duì)距離，當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)位于裂紋左端時(shí)，相對(duì)距離為負(fù)，反之，為正。裂紋擴(kuò)展速度和弧線型應(yīng)力集中區(qū)傳播速度均通過(guò)測(cè)量高速攝影機(jī)拍攝間隔圖片的位置差除以間隔時(shí)間獲得。從圖4可看出，爆生氣體形成的弧線型應(yīng)力集中區(qū)的移動(dòng)速度在300 m/s上下振蕩性的變化，準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力作用以相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)形態(tài)向周邊傳播，并在應(yīng)力波之后作用于裂紋尖端，在150 μs左右時(shí)，裂紋起裂，弧線型應(yīng)力集中區(qū)移動(dòng)速度出現(xiàn)短暫減小后又恢復(fù)原波動(dòng)狀態(tài)，而裂紋擴(kuò)展速度逐漸增大，裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)的相對(duì)距離逐漸減小，在200～250 μs之間時(shí)，相對(duì)距離穩(wěn)定，約為1 cm，裂紋擴(kuò)展速度與弧線型應(yīng)力集中區(qū)移動(dòng)速度基本相同。在該階段，弧線型應(yīng)力集中區(qū)整體移動(dòng)速度相對(duì)其它時(shí)間段明顯降低，在250 μs后，裂紋擴(kuò)展速度振蕩性的減小，在裂紋快速擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋的擴(kuò)展速度約等于弧線型應(yīng)力集中區(qū)移動(dòng)速度。

綜上，裂紋的最大擴(kuò)展速度發(fā)生在弧線型應(yīng)力集中區(qū)越過(guò)擴(kuò)展中的裂紋尖端之前，且伴隨著弧線型應(yīng)力集中區(qū)移動(dòng)速度的略微減弱，當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)接近擴(kuò)展中的裂紋尖端時(shí)，達(dá)到峰值的裂紋擴(kuò)展速度約等于弧線型應(yīng)力集中區(qū)的傳播速度，弧線型應(yīng)力集中區(qū)與裂紋尖端相對(duì)距離基本不變，在該時(shí)間段內(nèi)，裂紋擴(kuò)展速度表現(xiàn)為在峰值上下振蕩性變化。

3.2裂紋擴(kuò)展機(jī)理力學(xué)分析

從圖5可看出，當(dāng)t=50 μs左右時(shí)，預(yù)制裂紋右尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子從零開(kāi)始快速增加，說(shuō)明此時(shí)，應(yīng)力波開(kāi)始作用于預(yù)制裂紋，當(dāng)t=100 μs左右時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到第1個(gè)峰值，超過(guò)動(dòng)態(tài)斷裂韌度，裂紋有略微的擴(kuò)展，之后，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子開(kāi)始減小，說(shuō)明此時(shí)應(yīng)力波的作用逐漸減小。但當(dāng)t=130 μs左右時(shí)，由于爆生氣體產(chǎn)生的弧線型應(yīng)力集中區(qū)逐漸接近預(yù)制裂紋，弧線型應(yīng)力集中區(qū)對(duì)硐室產(chǎn)生的強(qiáng)拉伸應(yīng)力在硐室背爆側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)拉應(yīng)力場(chǎng)，作用于預(yù)制裂紋，并伴隨著弧線型應(yīng)力集中區(qū)的接近，強(qiáng)拉應(yīng)力場(chǎng)逐漸增加，最終導(dǎo)致裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子快速增加，當(dāng)t=170 μs左右時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子出現(xiàn)短暫的平穩(wěn)后快速增加，裂紋起裂，當(dāng)t=200 μs時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到峰值1.68 MN/m3/2，之后，裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)的相對(duì)距離維持不變，此時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度與弧線型應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)展速度相同，當(dāng)t=250 μs左右時(shí)，峰值上下振蕩變化的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子開(kāi)始減小，此時(shí)，裂紋尖端與弧線型應(yīng)力集中區(qū)的相對(duì)距離開(kāi)始減小，說(shuō)明此時(shí)裂紋擴(kuò)展速度相對(duì)弧線型應(yīng)力集中區(qū)傳播速度較小，當(dāng)t=300 μs左右時(shí)，弧線型應(yīng)力集中區(qū)追趕上擴(kuò)展中的裂紋，此時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子開(kāi)始振蕩性的變化，維持一段時(shí)間后，開(kāi)始快速減小，裂紋止裂。

圖5　相對(duì)距離D和裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間變化曲線Fig.5　Relative distance D and the dynamics stress intensity factor of the crack tip changing curve with time

圖6　相對(duì)距離D與裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系曲線Fig.6　Relationship curve between the relative distance D and dynamic stress intensity factor of crack tip

為了更加清晰地分析弧線型應(yīng)力集中區(qū)與擴(kuò)展中裂紋的相對(duì)距離和動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系，繪制了裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨相對(duì)距離變化的曲線，如圖6所示。從曲線中可看到，當(dāng)D=-1.7 cm左右時(shí)，裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子開(kāi)始增加，相對(duì)距離在-1.15 cm時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到最大值1.68 MN/m3/2，說(shuō)明此時(shí)應(yīng)力最為集中，裂紋受拉應(yīng)力最大，之后由于慣性效應(yīng)，裂紋快速擴(kuò)展，而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小，當(dāng)D=0左右時(shí)，裂紋接近止裂，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子開(kāi)始振蕩性的減小。

從上述分析可看出，導(dǎo)致預(yù)制裂紋起裂的主要原因是爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)的作用，且裂紋的最大擴(kuò)展速度發(fā)生在弧線型應(yīng)力集中區(qū)接近擴(kuò)展中的裂紋尖端，此時(shí)裂紋的擴(kuò)展速度約等于弧線型應(yīng)力集中區(qū)的傳播速度，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子始終維持在峰值左右振蕩性的變化，持續(xù)一段時(shí)間后，裂紋擴(kuò)展速度減弱，當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)越過(guò)擴(kuò)展中的裂紋后，裂紋逐漸止裂。

4結(jié)論

(1)爆炸荷載作用下鄰近硐室背爆側(cè)裂紋的擴(kuò)展是爆炸應(yīng)力波、爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)和卸載波綜合作用的結(jié)果，其中爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)裂紋的擴(kuò)展起主要作用。

(2)當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)接近擴(kuò)展中的裂紋尖端時(shí)，達(dá)到峰值的裂紋擴(kuò)展速度約等于弧線型應(yīng)力集中區(qū)的傳播速度，弧線型應(yīng)力集中區(qū)與裂紋尖端相對(duì)距離基本不變，在該時(shí)間段內(nèi)，裂紋擴(kuò)展速度表現(xiàn)為在峰值上下振蕩性變化。

(3)爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力主要作用在其產(chǎn)生的弧線型應(yīng)力集中區(qū)追趕上擴(kuò)展裂紋之前，表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到峰值，并在峰值上下振蕩性變化，當(dāng)弧線型應(yīng)力集中區(qū)越過(guò)裂紋尖端時(shí)，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小，裂紋止裂。

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Experimental study on the effect mechanism of the explosion gas on the precrack in the back-blasting of adjacent tunnel

GUO Dong-ming1,2,LIU Kang1,HU Jiu-xian1,YANG Ren-shu1,2,YUAN Bao-sen1,ZHAO Xiao-na1

(1.SchoolofMechanic&CivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,Beijing100083,China)

Abstract:During the research about crack extension rule at the back-side of adjacent tunnel under the action of blasting load adopting the dynamic caustics experimental method,a relationship exists between the crack extension in back-side of tunnel to blasting and arc type stress concentration region which appears with the release of detonation gas.Study shows that after the explosion,the explosion stress wave acts on the crack in the back-side of tunnel firstly,then the quasi-static stress field produced by detonation gas acts on the crack,which plays a main role on the propagation of the crack.Finally,unloading wave acts on crack,and the crack warps.When the arc type stress concentration region moves near the tip of propagation crack,the crack extension velocity reaches to maximum,which equals to the velocity of wave front.Later the relative distance between the crack tip and arc type stress concentration region doesn’t change basically.When the arc type stress concentration region extends cross the crack tip,the extension velocity gradually decreases,finally,the crack arrest.Similar changing rule happens on the dynamic stress intensity factor.Dynamic stress intensity factor reaches peak before the arc type stress concentration region runs across the crack tip.Research based on the findings confirms that the detonation gas plays a dominant role to the crack propagation in adjacent tunnel.The researches enable a better understanding on the impact mechanism of explosion load on neighboring tunnel.

Key words:detonation gas;adjacent tunnel;crack in back-side blasting;extension mechanism

中圖分類(lèi)號(hào):TD235

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2016)01-0265-06

作者簡(jiǎn)介:郭東明(1974—)，男，江西新余人，副教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：dmguocumtb@126.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274204，51134025)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-12-0965)

收稿日期:2015-08-26修回日期:2015-11-23責(zé)任編輯:常琛

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Guo Dongming,Liu Kang,Hu Jiuxian,et al.Experimental study on the effect mechanism of the explosion gas on the precrack in the back-blasting of adjacent tunnel[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):265-270.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.1249