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)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，我國基礎(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)工程等各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中，大幅度提高了勞動生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著[1-2]。

目前，鉆爆法依然是我國隧道(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)，尤其是爆破振動危害效應(yīng)[3]，因此隧道洞身襯砌混凝土爆破振動損傷問題是客觀存在的，而多次爆破作業(yè)必然產(chǎn)生爆破振動損傷累積問題[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。開展爆破振動荷載作用下隧道襯砌混凝土損傷累積規(guī)律試驗(yàn)研究，對于揭示其動力累積失穩(wěn)機(jī)制和制定基于損傷累積效應(yīng)的爆破振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)具有重要的理論意義和工程價值。

國內(nèi)外學(xué)者針對巖體已開展了爆破損傷累積方面的研究工作[2,8-9]，針對混凝土爆破振動荷載作用下的損傷累積問題的研究還處于起步階段。論文設(shè)計混凝土試塊爆破損傷累積試驗(yàn)，對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)和震動區(qū)(大于150R0)進(jìn)行超聲波波速測量并計算損傷值，利用試驗(yàn)結(jié)果分析混凝土爆破(振動)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)，采用濕潤黃土填塞，引火藥頭引爆。采用非金屬超聲波檢測儀對試塊進(jìn)行爆破前后的超聲波波速測試，在藥包中心高度的水平方向共布置12個測點(diǎn)，第一個測點(diǎn)距離炮孔中心50 mm，其余各測點(diǎn)間隔100 mm布置，見圖1(b)。每次爆破后對試塊進(jìn)行超聲波波速測試，并由公式D=1-(v/v0)計算損傷值[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，見圖1(c)。累積損傷值以各次爆破后測得的超聲波波速和試塊養(yǎng)護(hù)結(jié)束第一次爆破前測得的超聲波波速進(jìn)行計算，最終損傷值結(jié)果取三個試塊結(jié)果的平均值(試塊破裂區(qū)沒有進(jìn)行最后一次損傷測試)，得到的各測點(diǎn)損傷值見表1。

為分析各測點(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個測點(diǎn)10次爆破后損傷變化曲線見圖2(a)；為分析爆源近區(qū)、中區(qū)和震動區(qū)測點(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個測點(diǎn)(測點(diǎn)4～測點(diǎn)12)10次爆破后損傷變化曲線見圖2(b)。

為對比分析爆破震動區(qū)測點(diǎn)損傷累積規(guī)律，分別取近區(qū)測點(diǎn)1，中區(qū)測點(diǎn)4和測點(diǎn)7，遠(yuǎn)區(qū)(震動區(qū))測點(diǎn)11做出損傷累積變化曲線，見圖3(a)；同時做出震動區(qū)測點(diǎn)10、測點(diǎn)11和測點(diǎn)12的損傷累積曲線，見圖3(b)。

表1 爆破損傷測試結(jié)果

為進(jìn)一步分析各測點(diǎn)爆破損傷累積規(guī)律，將各測點(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的總爆破循環(huán)次數(shù)；a、b、c為常數(shù)，其中a≠0。

通過式( 1 )和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到各測點(diǎn)函數(shù)對應(yīng)的a、b和c值，同時，為了分析函數(shù)的單調(diào)性，計算出各測點(diǎn)函數(shù)的Δ(4b2-12ac)值和極值點(diǎn)x1、x2，計算結(jié)果，見表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)測點(diǎn)損傷值較大，且在較高閾值內(nèi)緩慢增長。震動區(qū)測點(diǎn)損傷累積過程可分為緩慢增長、快速增長和突變性增長三個階段，振動損傷累積效應(yīng)隨著爆破振動作用次數(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，試驗(yàn)過程中藥量保持不變，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，所以兩者引起的損傷隨著爆破次數(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，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，同時爆破振動在混凝土內(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)動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到裂紋擴(kuò)展臨界值時裂紋起裂擴(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)動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子增加到混凝土動態(tài)斷裂韌度(多次爆破損傷后的斷裂韌度)時宏觀裂縫形成，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個測點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果擬合相關(guān)性系數(shù)除了測點(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)，測點(diǎn)6第2至5次爆破遞減，測點(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；測點(diǎn)2，3，4，10和12擬合函數(shù)中a<0,Δ>0，其中測點(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) 混凝土爆破振動損傷隨著爆破振動作用次數(shù)的增加持續(xù)增大，爆破振動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，爆破振動損傷累積過程可分為緩慢增長，快速增長和突變性快速增長3個階段。

(2) 混凝土爆破振動損傷累積是爆炸應(yīng)力波和爆生氣體潛在與間接的擾動作用的結(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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