抑制預(yù)裂縫端部翼裂紋起裂動焦散實(shí)驗(yàn)研究

蘇 洪，龔 悅，李 凱

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.江西藍(lán)翔重工有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)大量展開，在礦山、隧道開挖等基礎(chǔ)工程中由于爆破法施工具有經(jīng)濟(jì)、高效、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[1]。爆破法施工既要求高效開挖巖體，又要求盡量減少對保留巖體的損傷?？刂茋鷰r損傷主要有光面爆破和預(yù)裂爆破兩類，其中光面爆破自上世紀(jì)70年代引入我國以來，先后在礦山、水利水電及交通工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)裂爆破也展開了大量研究。

袁康[2]利用彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等理論對預(yù)裂爆破成縫機(jī)理開展研究，取得良好預(yù)裂縫的爆破參數(shù)。楊仁樹[3]利用光電綜合測試系統(tǒng)，研究了兩相鄰預(yù)裂孔同時起爆，兩炮孔貫穿裂紋和炮孔外側(cè)裂紋擴(kuò)展的動態(tài)行為。李新平[4]采用數(shù)值模擬方法，研究不同裝藥結(jié)構(gòu)對預(yù)裂爆破效果的影響。唐海[5]運(yùn)用循環(huán)爆破和無損檢測探損，獲取預(yù)裂爆破在不同條件下的應(yīng)力波傳播規(guī)律和損傷范圍。陳俊樺[6]引入巖石爆破損傷、應(yīng)力波和爆生氣體共同作用等理論，在考慮巖石初始損傷等影響因素的基礎(chǔ)上，提出預(yù)裂爆破參數(shù)計(jì)算式。張超[7]將聚能技術(shù)和預(yù)裂爆破技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用到瓦斯抽放中，取得了良好的效果，并分析了該種技術(shù)機(jī)理。楊超[8]根據(jù)開挖巖體的地質(zhì)特征,對間隔裝藥結(jié)構(gòu)不耦合系數(shù)、線裝藥密度等進(jìn)行理論計(jì)算,然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比分析,確定針對不同巖性部位設(shè)置預(yù)裂爆破的合理參數(shù)。

綜上，學(xué)者對預(yù)裂爆破的研究主要集中在預(yù)裂成縫和預(yù)裂爆破應(yīng)用兩方面，取得了豐碩的研究成果。預(yù)裂爆破最理想的情況是相鄰兩炮孔之間形成的定向裂紋相互貫通，但實(shí)際爆破工程中，巖體特性千變?nèi)f化，巖性較差時，相鄰炮孔之間形成的定向裂紋并不一定能相互貫通。楊仁樹[9]指出，如果預(yù)裂爆破形成的預(yù)裂縫之間沒有相互貫通，在主爆區(qū)爆炸荷載的作用下，預(yù)裂縫的尖端易產(chǎn)生翼裂紋，向保留巖體擴(kuò)展，對保留巖體造成破壞。因此需要對抑制預(yù)裂縫尖端產(chǎn)生翼裂紋展開研究，以保護(hù)保留巖體。為此，利用動焦散系統(tǒng)對這一問題開展實(shí)驗(yàn)研究，以期獲得有意義結(jié)論，為工程實(shí)踐提供幫助。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

空孔具有引導(dǎo)定向裂紋擴(kuò)展的作用，有利于形成規(guī)整輪廓面。為此設(shè)想在兩預(yù)裂孔之間設(shè)置空孔，先以空孔引導(dǎo)定向裂紋，再以空孔抑制定向裂紋尖端產(chǎn)生翼裂紋，達(dá)到既形成規(guī)整預(yù)裂面又抑制預(yù)裂縫尖端產(chǎn)生翼裂紋的目的。

試件材料采用PMMA，幾何尺寸為400 mm×300 mm×5 mm。由于空孔引導(dǎo)裂紋不是本文研究的重點(diǎn)，所以假設(shè)預(yù)裂爆破形成的預(yù)裂縫A和空孔C、D已經(jīng)貫通，預(yù)裂縫靠近炮孔一側(cè)巖體為被爆巖體，預(yù)裂縫背離炮孔一側(cè)巖體為保留巖體(見圖1)。預(yù)裂縫A與炮孔B相距25 mm，空孔C、D分別布置在預(yù)裂縫A的兩端。A裂縫長度80 mm。為了研究有無空孔和空孔直徑對預(yù)裂縫A端部翼裂紋起裂的影響，改變空孔半徑R分別為0、3、5、7.5 mm。炮孔直徑6 mm，實(shí)驗(yàn)爆炸加載的炸藥為疊氮化鉛，藥量160 mg。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Experimental model

2 動態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字激光動態(tài)焦散線系統(tǒng)(見圖2)，由激光、擴(kuò)束鏡、透鏡、高速相機(jī)組成。激光發(fā)出的點(diǎn)光源經(jīng)擴(kuò)束鏡變成散光源，散光源經(jīng)透鏡1后變成平行光場，平行光場經(jīng)透鏡2后會再變成點(diǎn)光源，在高速相機(jī)中成像。試件置于兩透鏡之間，即平行光場中。試件在荷載作用下，其厚度發(fā)生變化，折射率也隨即發(fā)生變化，由于試件在平行光場中，試件后面的折射光線偏離原有平行狀態(tài)，偏離平行狀態(tài)的光線會在傳播路徑上形成光強(qiáng)分布不均的圖像，陰影區(qū)稱為焦散斑。

圖2 動焦散實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of dynamic caustics

把空孔周圍的受力簡化為在水平方向受應(yīng)力q作用，在豎直方向受應(yīng)力p作用(見圖3a)。空孔周圍焦散斑形狀及尺寸如圖3b所示。則空孔周圍焦散線尺寸和荷載之間的定量關(guān)系[10]為

(1)

式中：p-q為空孔周圍主應(yīng)力差；z0為參考平面到試件的距離，本文取800 mm；c為應(yīng)力光學(xué)常數(shù)；d為試件有效厚度，取5 mm；R為空孔半徑；D為空孔周圍焦散斑的特征長度。

圖3 空孔受力和周圍焦散線Fig.3 Force of empty hole and caustics around empty hole

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

炸藥爆炸后試件破裂效果如圖4所示，炮孔周圍有明顯的粉碎區(qū)，并產(chǎn)生5～8條主裂紋; 預(yù)裂縫阻斷了主裂紋向保留巖體擴(kuò)展；當(dāng)有空孔時，主裂紋向空孔方向擴(kuò)展，說明空孔對裂紋擴(kuò)展有一定的引導(dǎo)作用；當(dāng)預(yù)裂縫尖端無空孔時，在爆炸荷載作用下，預(yù)裂縫尖端產(chǎn)生翼裂紋，向保留巖體擴(kuò)展；當(dāng)預(yù)裂縫尖端有空孔時，無論空孔大小，均不會產(chǎn)生翼裂紋向保留巖體擴(kuò)展?？梢?，如果在兩相鄰預(yù)裂炮孔中間設(shè)置空孔，不僅可以引導(dǎo)預(yù)裂孔產(chǎn)生的定向裂紋向空孔擴(kuò)展，還可以抑制裂縫尖端產(chǎn)生新的翼裂紋向保留巖體擴(kuò)展，對保留巖體起到很好保護(hù)。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental result

4 焦散線行為分析

模型動焦散行為如圖5所示，當(dāng)空孔半徑R=3 mm時，炸藥爆炸后產(chǎn)生應(yīng)力波以圓形波陣面向外擴(kuò)張，20s時應(yīng)力波傳至空孔處，在空孔處不僅形成反射應(yīng)力波和繞射應(yīng)力波，還在空孔周圍形成復(fù)雜應(yīng)力場，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，表現(xiàn)為“半月牙”形焦散斑，半月牙焦散斑和圖3b類似。在半月牙焦散斑上有特征點(diǎn)，特征點(diǎn)的連線過空孔中心，隨著爆炸荷載的持續(xù)加載，空孔周圍的焦散斑以空孔中心為圓心開始轉(zhuǎn)動，大小不斷變化，焦散斑的轉(zhuǎn)動方向體現(xiàn)了空孔周圍主應(yīng)力方向，焦散斑的大小體現(xiàn)了空孔周圍應(yīng)力場的強(qiáng)弱。當(dāng)R=5 mm和R=7.5 mm時，其空孔周圍焦散斑變化規(guī)律基本和R=3 mm時類似，區(qū)別在于隨著空孔半徑的增大，空孔周圍的月牙形焦散斑越來越不明顯。

圖5 焦散圖片F(xiàn)ig.5 Caustic photos

空孔周圍主應(yīng)力差值隨時間變化和空孔周圍焦散斑特征點(diǎn)連線與水平線夾角θ隨時間變化如圖6所示。

圖6 空孔周圍主應(yīng)力差值及夾角時程Fig.6 The time history of the principal stress difference and angles around empty hole

從圖6a可以看出，主應(yīng)力差值呈現(xiàn)振蕩變化規(guī)律，當(dāng)應(yīng)力波作用于空孔后，空孔周圍的主應(yīng)力差值先振蕩性增加，增加到主應(yīng)力差峰值后再振蕩性下降。3種半徑的空孔模型周圍主應(yīng)力差峰值出現(xiàn)時間集中在60～70s，峰值分別為30.9、22.0、19.9 MN/m2。可見，隨著空孔半徑的增大，主應(yīng)力差的峰值逐漸減小，且降低幅度越來越小，這說明隨著空孔半徑的增大，空孔孔壁更加難以產(chǎn)生翼裂紋。3種半徑的空孔模型主應(yīng)力差結(jié)束時間分別為430、270、170s，這說明空孔半徑越大，應(yīng)力差消失越快。從圖6b可以看出，空孔周圍主應(yīng)力場方向也呈現(xiàn)振蕩性變化規(guī)律，3種模型的特征點(diǎn)連線與水平線夾角θ均是先從小角度開始振蕩上升，上升到峰值開始振蕩性下降，3種模型的夾角θ峰值分別為30.6°、45.5°、47.9°?？梢姡S著空孔半徑的增加，特征點(diǎn)連線與水平線夾角θ逐漸增大。通過以上空孔周圍應(yīng)力場強(qiáng)弱、主應(yīng)力差大小和應(yīng)力場方向分析，可以得出，隨著空孔半徑增大，空孔導(dǎo)向作用明顯，主應(yīng)力差減小，空孔壁更難斷裂，產(chǎn)生新的翼裂紋。

5 結(jié)論

1)空孔不僅可以引導(dǎo)裂紋向空孔擴(kuò)展，還可以抑制裂縫尖端產(chǎn)生新的翼裂紋向保留巖體擴(kuò)展。

2)在爆炸荷載作用下空孔周圍形成復(fù)雜應(yīng)力場，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3)隨著空孔半徑增大，主應(yīng)力差的峰值逐漸減小，特征點(diǎn)連線與水平線夾角θ逐漸增大。