含不同形狀單孔的靜態(tài)定向破巖機理及技術(shù)研究★

蔣婉筱 吳愛軍 王永強 吳大偉 金 超

(西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010)

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含不同形狀單孔的靜態(tài)定向破巖機理及技術(shù)研究★

蔣婉筱 吳愛軍 王永強 吳大偉 金 超

(西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010)

利用混凝土易于造孔的特點，設(shè)計了含不同長短軸(寬)比橢圓、矩形預(yù)埋孔試塊，得到長短軸比在2∶1～3∶1和長寬比在3∶1～5∶1時，定向開裂效果最好，并運用ANSYS軟件進行了模擬分析，結(jié)論與物理實驗結(jié)果相吻合。

靜態(tài)定向開裂，裂紋，靜態(tài)爆破，橢圓孔，矩形孔

近年來，靜態(tài)破碎法發(fā)展成為一種新型的“爆破”施工技術(shù)，與炸藥爆破方法相比較，具有無振動、無飛石、無沖擊波、無噪聲、無毒性氣體污染等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用，并且郭瑞平、王玉杰等對靜態(tài)破碎劑的材料特性和膨脹機理進行了深入研究[1,2]。唐烈先、郝兵元、桂良玉等[3-5]采用在孔中插入鋼板、切槽孔等方法來研究導向作用。而在工程實驗中，單個圓形孔裝藥后裂紋有3條～4條，裂紋的擴展方向難以控制，而對于非圓形孔，如橢圓、矩形、菱形等不同形狀的孔，裝藥后的裂紋擴展規(guī)律鮮有報道。為此本文通過理論與實驗、數(shù)值模擬等不同手段和方法，探索一個最優(yōu)的矩形的長寬比、橢圓的長短軸比。

1 巖石靜態(tài)定向開裂基本力學理論

兩種形狀裝藥孔的巖石周圍應(yīng)力場的計算模型，并對其進行分析。

1.1 矩形孔

將含矩形孔的無限域映射到單位圓內(nèi)的映射函數(shù)可采用如下的近似形式[6]：

(1)

其中，β1，β3，…與矩形孔的邊長比有關(guān)；c為常數(shù)，c=reiα,與矩形孔的大小和方位有關(guān)。

根據(jù)文獻[6]含矩形孔無限域應(yīng)力集中的系列分析中，承受均勻內(nèi)壓時孔邊應(yīng)力的變化曲線可以看出，不同長寬比的矩形，會引起在尖角處應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中值達到了原膨脹力的3倍～5倍，并且隨著長寬比的增大，四個尖角的應(yīng)力集中值方向之間的夾角在減小，定向性能在增強。

1.2 橢圓孔

1)當長短軸比為1∶1時，即為圓形孔。假設(shè)在無限大的彈性體內(nèi)有一圓孔，該孔半徑R，內(nèi)壁作用壓力q，此時任意半徑r處的徑向拉伸應(yīng)力σr、切向拉伸應(yīng)力σθ可按下式計算[5]：

(2)

可見圓形孔的應(yīng)力場在孔口周圍是均勻分布的，不存在具體位置的應(yīng)力集中。

2)當長短軸比不等于1∶1時，即為不同離心率的橢圓形狀。基于彈性力學知識[7]，得到橢圓孔口應(yīng)力為：

(3)

計算得到：長短軸比為2∶1時其切向應(yīng)力的最大值為孔內(nèi)膨脹力的3倍，即為3q，3∶1時為5q，5∶1時為9q，比值越大，其應(yīng)力集中系數(shù)越高，且定向性能越強。

2 定向靜態(tài)開裂實驗

根據(jù)幾何、力學條件的相似性原理，設(shè)計了兩種形狀孔，兩種巖體的靜態(tài)定向開裂實驗。具體的幾何尺寸如表1所示。試驗中采用C325配合比制備混凝土模型，按照標準對混凝土養(yǎng)護了28 d后，再進行統(tǒng)一灌注破碎劑，因此在時間和溫度上，所有試塊都處于同樣條件，這樣避免一些不必要因素的干擾。

表1 物理模型幾何尺寸

本文中所用試驗均采用的是北京宇翼特種水泥廠生產(chǎn)的“宇翼”牌高效無聲破碎劑HSCA-Ⅰ型，使用溫度范圍為25 ℃～35 ℃。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 含矩形孔混凝土試件靜態(tài)開裂實驗與分析

對于正方體試塊，正方形截面孔呈現(xiàn)三條主裂紋形式開裂；矩形截面為2∶1時呈現(xiàn)出在尖角處都開裂的形式；矩形截面為3∶1時呈現(xiàn)兩條主裂紋，兩條次裂紋，次裂紋很小，有一定的導向作用。矩形截面為5∶1時呈現(xiàn)兩條主裂紋貫穿破壞整個試件，導向作用比較強。改變孔的長寬比，也改變了膨脹力的分布，構(gòu)造的正交異性膨脹力，有利于裂紋沿最小主應(yīng)力的方向發(fā)展，裂紋能夠延伸到試件的端部，使試件產(chǎn)生劈裂破壞。

3.2 含圓形孔混凝土試件靜態(tài)開裂實驗與分析

從試件靜態(tài)破碎的過程來看，對于圓形截面孔，不管試件形狀，基本呈現(xiàn)三條主裂紋的形式開展。因為圓孔周圍應(yīng)力較為均勻分布，加上試塊材料的不均勻性，導致裂紋開裂的方向具有隨機性(見圖2)。

對于橢圓孔截面形狀的孔，試塊裂紋均從預(yù)留孔的長軸尖端萌生，并且隨著時間的推移，裂紋繼續(xù)擴展并最終沿著垂直于最大拉應(yīng)力的方向呈現(xiàn)對稱性擴展，導向作用很明顯。

相對于細長型的矩形定向而言，橢圓定向效果要優(yōu)于矩形。直接原因為長條形矩形尖端有四個，第一條裂紋起裂位置仍存在選擇性，也就是長寬比越小，其定向效果越差。

4 裂紋定向擴展規(guī)律的數(shù)值模擬

ANSYS提供了一種Solid65單元，專門用于模擬混凝土和巖石材料。設(shè)置混凝土的彈性模量為E=21 000 MPa，泊松比為0.2。為更好反映裂紋擴展路徑，設(shè)置孔深為0.15 m，以便更好的劃分網(wǎng)格進行計算，由于篇幅有限，僅列出代表性的圖(見圖3)。

對于圓柱體矩形截面孔，模擬結(jié)果與物理試驗的裂紋擴展結(jié)果基本一致，能很好的反映裂紋開裂的方向。對于立方體矩形截面孔，模擬結(jié)果就比較理想化，均是從尖角應(yīng)力集中處擴展，與物理實驗有一定的差異。如截面孔為1∶1時，模擬裂紋是從四個尖角應(yīng)力集中處擴展，比較有規(guī)律性。而相對的物理實驗，由于在澆筑混凝土試塊時，一些偶然因素，會導致產(chǎn)生的裂紋沒有很規(guī)則，但基本規(guī)律還是相同的。對于圓形截面孔，無論是圓柱體，還是立方體，其裂紋擴展具有隨機性，裂紋條數(shù)在3條～4條。

對于橢圓截面孔試塊，隨著長短軸比的增大，定向效果越來越好。軟件模擬了2∶1和3∶1兩種橢圓截面孔試塊，其結(jié)果基本上能夠較好地反映裂紋擴展規(guī)律，與物理實驗很好的切合，導向作用很明顯。

5 結(jié)語

本研究針對靜態(tài)破碎中裂紋擴展難以控制的難題，利用斷裂力學、彈性力學等理論，自行設(shè)計并澆筑的混凝土試塊，對橢圓孔、矩形孔等兩種不同尺寸、不同形狀的模型的裂紋定向擴展規(guī)律和機理進行理論與實驗和數(shù)值仿真研究，初步得到以下結(jié)論：

1)通過一系列靜態(tài)破碎實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含橢圓形試件僅有一條沿著長軸方向的裂紋，當長短軸比在2∶1～3∶1之間時定向開裂效果最好；當為長寬比為1∶1的正方形孔、長寬比為2∶1的矩形時，一般情況下有4條裂紋沿著對角線擴展；當長寬比在3∶1～5∶1時，定向開裂效果最好。

2)運用ANSYS軟件對上述實驗進行裂紋擴展與演化規(guī)律模擬，其結(jié)論與物理實驗結(jié)果相吻合。

本研究探索出的主裂紋導向技術(shù)，在巖石、混凝土等脆性材料的局部破碎或者石材開采中，有重要的實際應(yīng)用價值，值得進一步深入研究和試用推廣。

[1] 郭瑞平,楊永琦.靜態(tài)破碎劑膨脹機理及可控性的研究[J].煤炭學報，1994,19(5):478-485.

[2] 王玉杰.靜態(tài)破裂技術(shù)及機理研究[D].武漢:武漢理工大學，2009.

[3] 唐烈先，唐春安，胡 軍，等.混凝土靜態(tài)破碎主裂紋導向技術(shù)的試驗研究[J].混凝土,2013,289(11):11-17.

[4] 楊仁樹,孫中輝,佟 強,等.靜態(tài)破碎機膨脹作用下試樣裂紋擴展試驗研究[J].工程爆破,2010,16(3):7-11.

[5] 桂良玉.靜態(tài)破碎劑破巖機理試驗研究[D].北京：中國礦業(yè)大學,2008.

[6] 楊麗紅,何蘊增.含矩形孔無限域應(yīng)力集中的系列分析[J].應(yīng)用科技,2005(7):53-56.

[7] 徐芝綸.彈性力學[M].第4版.北京：高等教育出版社，2006.

Study on the technology and mechanism of

static directional cracking of rock with different shapes of charge holes★

Jiang Wanxiao Wu Aijun Wang Yongqiang Wu Dawei Jin Chao

(CollegeofEnvironmentandResources,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)

With the characteristics of easy hole making of concrete, the test block with different length and length(width) is designed, and the length and width ratio of the 2∶1～3∶1 and the length width ratio of 3∶1～5∶1 are obtained. At the same time, using ANSYS software simulation, the conclusion is consistent with the physical experiment results.

static directional crack, crack, static blasting, elliptical hole, rectangular hole

1009-6825(2016)27-0048-03

2016-07-19★:四川省教育廳重點項目(項目編號：16zd1120)；西南科技大學博士研究基金項目(項目編號：12zx7112)

蔣婉筱(1990- )，女，在讀碩士； 吳愛軍(1976- )，男，博士，副教授

TU457

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