梅勇, 呂玉正*, 孫淼軍
(1.軍事科學(xué)院國防工程研究院, 北京 100036; 2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 杭州 311122)
爆破技術(shù)具有施工方便、普適性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在巖土工程領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用,尤其是在礦石開采[1-3]、水下工程[4-6]、基坑與隧道開挖[7-9]、水利水電[10-12]和搶險(xiǎn)救災(zāi)[13]等領(lǐng)域。由于爆破技術(shù)的廣泛使用,對巖體爆破效果的控制也越來越嚴(yán)格,因此眾多學(xué)者對各種影響爆破效果的因素進(jìn)行探究。地應(yīng)力對巖體爆破的影響已經(jīng)開展了一些物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究。楊海濤等[14]開展不同應(yīng)力作用下組合孔爆破破巖數(shù)值模擬研究,當(dāng)初始應(yīng)力小于巖石的彈性極限時(shí),表現(xiàn)為抑制作用,當(dāng)初始應(yīng)力大于巖石的彈性極限時(shí),表現(xiàn)為促進(jìn)作用。曾慶田等[15]綜合工程試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)開展了高地應(yīng)力條件下爆破漏斗實(shí)驗(yàn),最終得出爆破設(shè)計(jì)不能忽略地應(yīng)力的影響,同時(shí)得出了爆破漏斗試驗(yàn)臨界埋深及炸藥最佳埋深。崔建斌等[16]基于數(shù)值模擬開展了單孔爆破實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)高地應(yīng)力會對裂紋的發(fā)展起抑制作用。郭云龍等[17]基于有限元軟件對不同初始地應(yīng)力和不同側(cè)壓力系數(shù)下巖體爆破過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)平行和垂直炮孔方向初始地應(yīng)力相等時(shí),隨著初始地應(yīng)力的增加,巖體損傷范圍越小,爆破效果越差。楊建華等[18]采用光滑粒子流體力學(xué)-有限元方法耦合數(shù)值模擬方法研究了高地應(yīng)力多孔爆破實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)高地應(yīng)力對爆破致裂起抑制作用。目前對單孔爆破效果影響因素的研究成果較多,多孔爆破研究較少。而在實(shí)際工程的爆破中大多是多個(gè)炮孔起爆,從而忽略了炮孔之間的相互影響,因此研究多個(gè)炮孔的爆破效果很有必要。目前研究雙孔爆破的學(xué)者和成果較少,研究的方面主要集中于同時(shí)及延時(shí)爆破[19-21]、預(yù)制裂隙爆破[22-23]、節(jié)理間距[24]、裝藥量[25]等。以上研究雖然考慮到了炮孔間的相互影響,但考慮地應(yīng)力因素的研究較少,并且鮮有學(xué)者考慮巖石抗拉強(qiáng)度對爆破效果的影響。
采用離散元方法中的顆粒流程序(PFC2D),研究地應(yīng)力及巖石抗拉強(qiáng)度對雙孔爆破效果的影響,揭示巖體內(nèi)部能量場的變化規(guī)律。所得研究結(jié)果可為實(shí)際爆破工程提供參考。
利用顆粒流程序(PFC2D)建立如圖1所示單孔爆破模型示意圖,巖石模型尺寸為10 m×10 m,在模型中心設(shè)置直徑為10 cm的炸點(diǎn)。巖石模型所受圍壓大小為P,采取不反射應(yīng)力波的透射邊界。Yuan等[26]通過室內(nèi)單軸實(shí)驗(yàn)與巴西劈裂實(shí)驗(yàn)得到了砂巖的宏觀力學(xué)參數(shù)(表1),并通過PFC2D進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了微觀參數(shù)(表2),由于該爆破結(jié)果較好,因此采取此組微觀參數(shù)。
圖1 單孔爆破模型Fig.1 Calculation model of single hole blasting
表1 砂巖宏觀參數(shù)[26]
表2 砂巖微觀參數(shù)[26]
實(shí)際爆破工程中,由炸點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波不會發(fā)生反射,因此為了使模型更加真實(shí),模型的邊界采取透射邊界,即不反射應(yīng)力波。采取石崇[27]提出的考慮彌散效應(yīng)的透射邊界,即
(1)
采取炸點(diǎn)顆粒膨脹法施加荷載,炸點(diǎn)通過自身膨脹來擠壓周邊顆粒,形成的爆炸應(yīng)力波,以炸點(diǎn)為中心向周圍巖體擴(kuò)散,應(yīng)力波通??梢院喕癁樯仙闻c下降段相等的半正弦波,其表達(dá)式為[26]
(2)
式(2)中:p(t)為孔壁受到的爆破荷載;A為炮孔內(nèi)的壓力峰值,取值為4 GPa;ΔT為半正弦的作用時(shí)間,一般取10 ms;t為持續(xù)時(shí)間。
在顆粒流程序(PFC2D)中生成巖體試樣后,通過墻體伺服來擠壓試樣。當(dāng)墻體受到的應(yīng)力達(dá)到預(yù)先設(shè)定的圍壓時(shí),退出伺服并刪除墻體,此時(shí)賦予試樣透射邊界,選取平行粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系,賦予巖石微觀參數(shù),最后施加爆破荷載。爆破時(shí)間總長為20 ms(20 ms后試樣基本不再有裂紋產(chǎn)生,且?guī)r體試樣整體基本沒有變化),圍壓設(shè)定為5 MPa,得到最終的爆破效果如圖2(a)所示,與Yuan等[26]在相同圍壓下得到的裂紋結(jié)果[圖2(b)]基本一致,驗(yàn)證了本文模型的合理性。
圖2 本文數(shù)值模擬與Wei Yuan等[26] 數(shù)值模擬對比Fig.2 Comparison between the numerical simulation and the numerical simulation by Ref.[26]
圖3 雙孔爆破模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of double hole blasting model
在單孔爆破模型的基礎(chǔ)上,將模型幾何中心的炸點(diǎn)換成間隔為4 m的雙孔炸點(diǎn),模型左右對稱(圖3)。在模型內(nèi)部建立如圖3所示監(jiān)測點(diǎn),用來監(jiān)測巖體內(nèi)部應(yīng)力變化(x1~x6為水平方向監(jiān)測點(diǎn)編號;y0~y8為豎直方向監(jiān)測點(diǎn)編號)。將圍壓分為0、5、20、40、60 MPa共5種工況。
2.2.1 巖石的裂紋形態(tài)
圖4 不同地應(yīng)力下裂紋效果圖Fig.4 Effect drawing of crack under different in-situ stress
不同地應(yīng)力環(huán)境下,雙孔同時(shí)起爆的最終裂紋效果如圖4所示,地應(yīng)力為 0時(shí),裂紋最為發(fā)育,尤其是平行炮孔連接方向的主裂紋最長,貫通性最強(qiáng)。隨著地應(yīng)力的不斷提高,裂紋的發(fā)展開始受到抑制。在單孔爆破工況中,較低的圍壓,如10 MPa左右,就能較明顯地抑制主裂紋的發(fā)展。但是在雙孔爆破環(huán)境下,很明顯地可以看出10 MPa的圍壓已經(jīng)不能起到比較明顯的抑制作用。此外,主裂紋的發(fā)展形態(tài)與單孔爆破也有很大不同,當(dāng)雙孔同時(shí)起爆時(shí),平行于炮孔連線方向的主裂紋會繼續(xù)發(fā)展,主裂紋尖端會出現(xiàn)避讓或勾連現(xiàn)象。隨著地應(yīng)力的大幅度增加,當(dāng)?shù)貞?yīng)力小于40 MPa時(shí),垂直于炮孔連線方向的裂紋受到明顯的抑制作用,而平行于炮孔連線方向的主裂紋受抑制作用較小,說明當(dāng)?shù)貞?yīng)力小于40 MPa時(shí),雙孔爆破的貫通效果比較好;當(dāng)?shù)貞?yīng)力增加到60 MPa時(shí),兩個(gè)炮孔的裂紋發(fā)展均嚴(yán)重受到抑制,說明雙孔爆破在較高的地應(yīng)力作用下的抑制用才明顯。
圖5 炮孔周圍應(yīng)力峰值Fig.5 Peak stress around blast hole
2.2.2 巖石內(nèi)部應(yīng)力場
為了探究爆破過程中地應(yīng)力對巖體內(nèi)部應(yīng)力的影響,進(jìn)一步分析了平行于炮孔連線方向的峰值應(yīng)力(Sxx)與垂直于炮孔連線方向的峰值應(yīng)力(Syy),結(jié)果如圖5所示。平行于炮孔連線方向的峰值應(yīng)力在地應(yīng)力的作用下整體影響不大,但在40 MPa時(shí)炮孔周圍局部巖體的Sxx會發(fā)生突變。垂直于炮孔連線方向的峰值應(yīng)力在高地應(yīng)力時(shí)會顯著下降,當(dāng)?shù)貞?yīng)力增加到60 MPa時(shí),Syy會整體下降。通過分析巖體內(nèi)部峰值應(yīng)力Sxx和Syy,可以得出,地應(yīng)力的增長對Sxx的影響較小,但對Syy的影響較大,尤其地應(yīng)力為40~60 MPa。
2.2.3 巖體能量場演化過程
從巖體內(nèi)部能量場的角度來研究爆破過程的成果比較少,因此,分別從應(yīng)變能、摩擦能和動能三種能量的演化過程來分析地應(yīng)力對巖體爆破效果的影響,結(jié)果如圖6所示。如圖6(a)所示,地應(yīng)力對應(yīng)變能的峰值影響較大,尤其是在20~40 MPa,應(yīng)變能的增長幅度最大;無地應(yīng)力時(shí),應(yīng)變能最小。地應(yīng)力的存在對摩擦能和動能的影響最大,當(dāng)?shù)貞?yīng)力為0時(shí),摩擦能最高可達(dá)0.9 MJ,動能最高可達(dá)90 kJ,隨著地應(yīng)力的提高,摩擦能會大幅度減小,尤其是在0~5 MPa時(shí),摩擦能衰減了70%,動能衰減了83%。
圖6 不同地應(yīng)力下巖體能量演化圖Fig.6 Energy evolution diagram of rock mass under different in-situ stresses
2.3.1 巖石的裂紋形態(tài)
由于巖體爆破產(chǎn)生裂紋主要是拉伸破壞,所以巖體的抗拉強(qiáng)度對爆破效果影響較大,因此對相同地應(yīng)力(5 MPa)下不同抗拉強(qiáng)度的巖體進(jìn)行了雙孔爆破實(shí)驗(yàn),爆破效果如圖7所示,抗拉強(qiáng)度分別為8.5、18.5、28.5 MPa。如圖7所示,隨著巖石抗拉強(qiáng)度的增長,裂紋的數(shù)量在顯著減小,當(dāng)巖石的抗拉強(qiáng)度從8.5 MPa增長到18.5 MPa時(shí),裂紋數(shù)量衰減了94%,當(dāng)巖石的抗拉強(qiáng)度從18.5 MPa增長到28.5 MPa時(shí),裂紋數(shù)量衰減了76%。
圖7 不同抗拉強(qiáng)度下裂紋圖Fig.7 Crack diagram under different tensile strength
2.3.2 巖石抗拉強(qiáng)度對能量場的影響
不同巖石抗拉強(qiáng)度下,巖體內(nèi)部應(yīng)變能、摩擦能和動能的演化過程如圖8所示。巖石抗拉強(qiáng)度在8.5~18.5 MPa范圍內(nèi)時(shí),三種能量變化均較大,如圖8所示,抗拉強(qiáng)度增大了10 MPa,應(yīng)變能增長了21%,同時(shí)摩擦能降低了86%,動能降低了70%。說明巖石的抗拉強(qiáng)度對巖體內(nèi)部的三種能量場影響較大。
圖8 不同抗拉強(qiáng)度下巖體能量演化圖Fig.8 Energy evolution diagram of rock mass under different tensile strength
利用顆粒流程序(PFC2D)對不同地應(yīng)力和不同巖石抗拉強(qiáng)度下的巖體進(jìn)行了爆破數(shù)值模擬,單孔爆破效果驗(yàn)證了模型的合理性??紤]炮孔間的相互影響,從裂紋形態(tài)、應(yīng)力場及能量場三個(gè)角度來研究雙孔爆破巖體破壞特征規(guī)律,得出如下結(jié)論。
(1)雙孔爆破需要比單孔爆破更高的地應(yīng)力才會出現(xiàn)明顯的抑制效果,單孔爆破在10 MPa左右的圍壓下會出現(xiàn)明顯的抑制作用,而雙孔爆破至少需要40~60 MPa的圍壓,為單孔爆破的4~6倍。
(2)地應(yīng)力對平行于炮孔連線方向的巖體內(nèi)部應(yīng)力抑制作用不明顯,但對垂直于炮孔連線方向的巖體內(nèi)部應(yīng)力抑制作用明顯,尤其是40~60 MPa,導(dǎo)致當(dāng)?shù)貞?yīng)力小于40 MPa時(shí),地應(yīng)力主要抑制垂直于炮孔連線方向的裂紋,而平行于炮孔方向的裂紋受抑制作用較小。
(3)地應(yīng)力對巖體內(nèi)部應(yīng)變能、摩擦能和動能影響均較大。地應(yīng)力在20~40 MPa時(shí),巖體內(nèi)部的應(yīng)變能峰值最高;0~5 MPa的地應(yīng)力對摩擦能和動能影響最大,在此范圍內(nèi)兩種能量衰減最嚴(yán)重。
(4)巖體抗拉強(qiáng)度每增長10 MPa,裂紋數(shù)量會減少約80%,巖石抗拉強(qiáng)度從8.5 MPa增加到18.5 MPa時(shí),三種能量變化均較大,應(yīng)變能增長了21%,摩擦能和動能分別降低了86%和70%。