隧道襯砌混凝土爆破損傷累積規(guī)律試驗(yàn)研究

褚懷保， 楊小林， 葉紅宇， 梁為民， 余永強(qiáng)， 魏海霞(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，爆破技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦山工程、鐵路與公路隧道工程、市政工程、人防與國(guó)防工程、城市與地下建筑工程、水利水電工程、核電建設(shè)工程等各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中，大幅度提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著[1-2]。

目前，鉆爆法依然是我國(guó)隧道(尤其是山嶺隧道)掘進(jìn)施工的主要方法，錨噴支護(hù)和整體模筑混凝土襯砌是隧道洞身襯砌最主要和最普遍的形式。在各類(lèi)爆破工程中，炸藥爆炸釋放的能量在實(shí)現(xiàn)工程目的的同時(shí)有一部分不可避免地轉(zhuǎn)化為爆破危害效應(yīng)，尤其是爆破振動(dòng)危害效應(yīng)[3]，因此隧道洞身襯砌混凝土爆破振動(dòng)損傷問(wèn)題是客觀存在的，而多次爆破作業(yè)必然產(chǎn)生爆破振動(dòng)損傷累積問(wèn)題[4-7]，這在一定程度上直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)后期的質(zhì)量和安全。開(kāi)展爆破振動(dòng)荷載作用下隧道襯砌混凝土損傷累積規(guī)律試驗(yàn)研究，對(duì)于揭示其動(dòng)力累積失穩(wěn)機(jī)制和制定基于損傷累積效應(yīng)的爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖體已開(kāi)展了爆破損傷累積方面的研究工作[2,8-9]，針對(duì)混凝土爆破振動(dòng)荷載作用下的損傷累積問(wèn)題的研究還處于起步階段。論文設(shè)計(jì)混凝土試塊爆破損傷累積試驗(yàn)，對(duì)試塊施加多次爆破荷載，直至試塊破壞，在試塊炮孔近區(qū)(3R0～7R0，R0為藥包半徑)、中區(qū)(120R0～150R0)和震動(dòng)區(qū)(大于150R0)進(jìn)行超聲波波速測(cè)量并計(jì)算損傷值，利用試驗(yàn)結(jié)果分析混凝土爆破(振動(dòng))損傷累積規(guī)律，為進(jìn)一步研究多次爆破荷載作用下混凝土損傷累積劣化機(jī)理和震動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)制定奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 爆破損傷累積試驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)室制作C40混凝土試塊3塊，試塊尺寸為1 500 mm×500 mm×300 mm，見(jiàn)圖1(a)。混凝土集料采用機(jī)械攪拌，隨后在澆筑模板中用小型振動(dòng)棒振搗成型，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d。在距離試塊一端300 mm處預(yù)留炮孔，炮孔深度和直徑分別為180 mm和16 mm，試驗(yàn)時(shí)裝入2.5 g鈍化的黑索金炸藥(單質(zhì)猛炸藥能量釋放以爆炸應(yīng)力波為主)，采用濕潤(rùn)黃土填塞，引火藥頭引爆。采用非金屬超聲波檢測(cè)儀對(duì)試塊進(jìn)行爆破前后的超聲波波速測(cè)試，在藥包中心高度的水平方向共布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)距離炮孔中心50 mm，其余各測(cè)點(diǎn)間隔100 mm布置，見(jiàn)圖1(b)。每次爆破后對(duì)試塊進(jìn)行超聲波波速測(cè)試，并由公式D=1-(v/v0)計(jì)算損傷值[10]，其中v、v0分別為試塊各次爆破后和第一次爆破前的超聲波波速，m/s，用凡士林作探頭和試塊接觸面的耦合劑，爆破直至試塊破裂為止，見(jiàn)圖1(c)。

2 爆破損傷累積試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 爆破損傷累積試驗(yàn)結(jié)果

按照試驗(yàn)方案在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行C40混凝土試塊爆破損傷累積試驗(yàn)，三塊試塊分別在第10次爆破、第11次爆破和第10次爆破后斷裂破壞，見(jiàn)圖1(c)。累積損傷值以各次爆破后測(cè)得的超聲波波速和試塊養(yǎng)護(hù)結(jié)束第一次爆破前測(cè)得的超聲波波速進(jìn)行計(jì)算，最終損傷值結(jié)果取三個(gè)試塊結(jié)果的平均值(試塊破裂區(qū)沒(méi)有進(jìn)行最后一次損傷測(cè)試)，得到的各測(cè)點(diǎn)損傷值見(jiàn)表1。

為分析各測(cè)點(diǎn)損傷值隨爆破次數(shù)增加的變化規(guī)律，由表1數(shù)據(jù)做出了12個(gè)測(cè)點(diǎn)10次爆破后損傷變化曲線見(jiàn)圖2(a)；為分析爆源近區(qū)、中區(qū)和震動(dòng)區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷值隨爆破次數(shù)增加的變化規(guī)律，做出中遠(yuǎn)區(qū)9個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)12)10次爆破后損傷變化曲線見(jiàn)圖2(b)。

為對(duì)比分析爆破震動(dòng)區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷累積規(guī)律，分別取近區(qū)測(cè)點(diǎn)1，中區(qū)測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)7，遠(yuǎn)區(qū)(震動(dòng)區(qū))測(cè)點(diǎn)11做出損傷累積變化曲線，見(jiàn)圖3(a)；同時(shí)做出震動(dòng)區(qū)測(cè)點(diǎn)10、測(cè)點(diǎn)11和測(cè)點(diǎn)12的損傷累積曲線，見(jiàn)圖3(b)。

表1 爆破損傷測(cè)試結(jié)果

為進(jìn)一步分析各測(cè)點(diǎn)爆破損傷累積規(guī)律，將各測(cè)點(diǎn)累積損傷值與爆破循環(huán)次數(shù)比進(jìn)行擬合得到兩者的關(guān)系式為

( 1 )

式中：Di為第i次爆破后測(cè)點(diǎn)累積損傷值；xi為相同裝藥情況下爆破循環(huán)次數(shù)比，即xi=i/N,N為試塊爆破損傷累積斷裂破壞時(shí)的總爆破循環(huán)次數(shù)；a、b、c為常數(shù)，其中a≠0。

通過(guò)式( 1 )和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到各測(cè)點(diǎn)函數(shù)對(duì)應(yīng)的a、b和c值，同時(shí)，為了分析函數(shù)的單調(diào)性，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)函數(shù)的Δ(4b2-12ac)值和極值點(diǎn)x1、x2，計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 混凝土試塊累積損傷值與爆破循環(huán)次數(shù)比擬合結(jié)果

2.2 爆破損傷累積試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 從圖2和圖3可以看出，各測(cè)點(diǎn)損傷值隨著爆破次數(shù)的增加而持續(xù)增大，近區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷值較大，且在較高閾值內(nèi)緩慢增長(zhǎng)。震動(dòng)區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷累積過(guò)程可分為緩慢增長(zhǎng)、快速增長(zhǎng)和突變性增長(zhǎng)三個(gè)階段，振動(dòng)損傷累積效應(yīng)隨著爆破振動(dòng)作用次數(shù)的增加更加明顯。

爆源近區(qū)損傷是爆炸應(yīng)力波和爆生氣體直接作用的結(jié)果，應(yīng)力波強(qiáng)壓應(yīng)力作用下混凝土發(fā)生壓縮破壞，并在應(yīng)力波切向拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生徑向裂紋[10-12]，爆生氣體劈入徑向裂隙驅(qū)動(dòng)其進(jìn)一步以Ⅰ型裂紋擴(kuò)展[13]，最后，裂紋在爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)作用下發(fā)生局部塑性變形而發(fā)生再次擴(kuò)展。爆源近區(qū)損傷值和損傷范圍直接由爆炸應(yīng)力波和爆生氣體強(qiáng)度與衰減速度決定，隨著距離的增大兩者的作用強(qiáng)度均迅速減弱。同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中藥量保持不變，試塊的損傷程度和范圍隨著爆破作用次數(shù)的增加而增加，進(jìn)一步加劇應(yīng)力波衰減和爆生氣體壓力的降低，所以?xún)烧咭鸬膿p傷隨著爆破次數(shù)的增加僅能緩慢增加。

隨著距離爆源中心距離的進(jìn)一步增大(遠(yuǎn)區(qū))，爆炸應(yīng)力波和爆生氣體只能對(duì)混凝土產(chǎn)生潛在和間接的損傷作用[14-15]，不能直接引起混凝土的破壞。首先，爆破次數(shù)較少時(shí)，爆破作用只能在混凝土內(nèi)原生微裂紋(水泥沙漿裂紋、水泥沙漿與骨料界面裂紋和骨料裂紋)尖端因應(yīng)力集中作用而產(chǎn)生局部損傷，同時(shí)爆破振動(dòng)在混凝土內(nèi)部生成一定數(shù)量新的微裂紋。隨后，隨著爆破作用次數(shù)的增加，微裂紋尖端局部損傷增加，當(dāng)動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到裂紋擴(kuò)展臨界值時(shí)裂紋起裂擴(kuò)展并逐漸形成細(xì)觀裂紋，細(xì)觀裂紋擴(kuò)展速率完全由應(yīng)力強(qiáng)度因子的增幅控制。最后，隨著爆破作用次數(shù)的持續(xù)增加，細(xì)觀裂紋擴(kuò)展貫通加劇混凝土性能參數(shù)劣化，當(dāng)動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子增加到混凝土動(dòng)態(tài)斷裂韌度(多次爆破損傷后的斷裂韌度)時(shí)宏觀裂縫形成，而宏觀裂縫擴(kuò)展速率呈加速失穩(wěn)形態(tài)，混凝土的整體性和承載力急劇降低，最后混凝土突然斷裂破壞。

(2) 從表2累積損傷值與爆破循環(huán)次數(shù)比擬合結(jié)果可知，爆破振動(dòng)累積損傷值與爆破循環(huán)次數(shù)比之間存在三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，且函數(shù)在試驗(yàn)條件下是單調(diào)遞增的。12個(gè)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果擬合相關(guān)性系數(shù)除了測(cè)點(diǎn)9以外均在0.911 2以上，試驗(yàn)結(jié)果擬合準(zhǔn)確性可以保證。測(cè)點(diǎn)1和11擬合函數(shù)中a>0,Δ<0，從函數(shù)的圖像和單調(diào)性可知測(cè)點(diǎn)累積損傷值單調(diào)遞增(初期較快增大，中期平緩增大，后期突然增大)；測(cè)點(diǎn)5，6，7，8擬合函數(shù)中a>0,Δ>0，但循環(huán)爆破次數(shù)比基本在函數(shù)單調(diào)遞增區(qū)間內(nèi)，測(cè)點(diǎn)6第2至5次爆破遞減，測(cè)點(diǎn)7和8第3至5次爆破遞減，其他函數(shù)值均隨爆破次數(shù)的增加而單調(diào)遞增；測(cè)點(diǎn)2，3，4，10和12擬合函數(shù)中a<0,Δ>0，其中測(cè)點(diǎn)2，10和12循環(huán)爆破次數(shù)比值均在單調(diào)遞增區(qū)間內(nèi)，測(cè)點(diǎn)3和4部分循環(huán)爆破次數(shù)比值不在單調(diào)遞增區(qū)間內(nèi)，但計(jì)算函數(shù)值表明也均是單調(diào)遞增的。

(3) 從表1數(shù)據(jù)和圖1(b)混凝土試塊斷裂破壞情況可看出，隨著爆破作用次數(shù)的增加，混凝土試塊強(qiáng)度大幅度降低，爆破累積損傷進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段后，混凝土在較低的損傷值條件下即可發(fā)生失穩(wěn)斷裂。表1中試塊第9次爆破后所有測(cè)點(diǎn)中最大損傷值僅為0.25，但第10次爆破后試塊即突然失穩(wěn)斷裂。多次爆破作用下，混凝土試塊承受反復(fù)加載和卸載的循環(huán)應(yīng)力作用，混凝土試塊在遠(yuǎn)低于其斷裂韌度的荷載作用下發(fā)生疲勞損傷破壞[14]。所以，混凝土試塊強(qiáng)度隨著爆破作用次數(shù)的增加大幅度降低，在爆破累積損傷進(jìn)入快速增加的突變階段后突然在較低的損傷值條件下突然斷裂破壞。

3 結(jié)論

(1) 混凝土爆破振動(dòng)損傷隨著爆破振動(dòng)作用次數(shù)的增加持續(xù)增大，爆破振動(dòng)累積損傷與爆破循環(huán)次數(shù)比之間存在三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，爆破振動(dòng)損傷累積過(guò)程可分為緩慢增長(zhǎng)，快速增長(zhǎng)和突變性快速增長(zhǎng)3個(gè)階段。

(2) 混凝土爆破振動(dòng)損傷累積是爆炸應(yīng)力波和爆生氣體潛在與間接的擾動(dòng)作用的結(jié)果，兩者作用下，首先混凝土內(nèi)部原生微裂紋尖端因應(yīng)力集中作用產(chǎn)生局部損傷，并生成一定數(shù)量的新生微裂紋，隨后微裂紋擴(kuò)展形成細(xì)觀裂紋，混凝土力學(xué)參數(shù)劣化加劇，最后細(xì)觀裂紋擴(kuò)展貫通形成宏觀裂紋，混凝土的整體性和承載力急劇降低，混凝土在較低的損傷值條件即可發(fā)生突然失穩(wěn)斷裂破壞。

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