節(jié)理充填巖體爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律模型試驗與應(yīng)用研究*

陳雪峰，趙孝學(xué)，汪海波，馬 浪，王長柏

(1.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008；2. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

節(jié)理作為一種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，廣泛存在于天然巖體中，破壞巖體的連續(xù)性，使得爆炸應(yīng)力波和氣體產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)面“泄出”，最終影響爆破效果。Gnirk[1]通過試驗發(fā)現(xiàn)，節(jié)理等結(jié)構(gòu)面對爆破效果的影響超過了巖體其他物理力學(xué)性質(zhì)的影響；孫冰等[2]通過完整地質(zhì)和節(jié)理地質(zhì)的巷道爆破模型試驗，對爆炸應(yīng)力波在層狀節(jié)理巖體中的衰減規(guī)律進(jìn)行了研究；劉際飛等[3]通過聲波測試及節(jié)理巖體震動衰減試驗，研究了節(jié)理走向角度對爆炸應(yīng)力波傳播的影響；Wu等[4]研究在不同裂隙填充厚度和剛度條件下P波的傳播規(guī)律，得出P波通過裂隙后的透射系數(shù)隨充填材料的剛度的增加而增大，隨厚度的增加而減小；李業(yè)學(xué)[5]通過SHPB試驗對應(yīng)力波通過巖石節(jié)理時的能量耗散規(guī)律進(jìn)行研究，給出透、反射系數(shù)與分形維數(shù)間的理論表達(dá)式；Zhu等[6-7]在不同節(jié)理形狀、入射角、間距及剛度等參數(shù)的條件下，對應(yīng)力波的傳播規(guī)律進(jìn)行理論研究；王衛(wèi)華等[8]建立了應(yīng)力波在節(jié)理裂隙處的解析模型，分析了不同應(yīng)力波在節(jié)理裂隙處的傳遞規(guī)律，得出隨應(yīng)力波幅值的增大，傳遞系數(shù)增大而裂隙寬度減小。

數(shù)值模擬方面，張秀麗等[9]采用DDA程序模擬了通過節(jié)理處的應(yīng)力波傳播，得出節(jié)理裂隙對應(yīng)力波的傳播起到阻礙作用，應(yīng)力波的透射強度隨節(jié)理數(shù)目的增多減弱，反射強度則反之；劉婷婷等[10]、郭易圓等[11]及FAN等[12]采用離散元方法分析了爆炸應(yīng)力波在各種節(jié)理裂隙中傳播的規(guī)律，重點分析了巖體中不均質(zhì)連續(xù)的面對能量的傳遞、削弱的影響；楊仁樹等[13]采用ricker子波為爆炸場源，模擬了爆炸應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播過程；趙堅等[14]通過UDEC模擬應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播，得出節(jié)理的存在對波的衰減具有促進(jìn)作用。

貴州省喀斯特地貌極為發(fā)育，巖性以白云巖、石灰?guī)r為主，由于長期風(fēng)化，節(jié)理面豐富，形成層狀、塊狀，在流水作用下，風(fēng)化產(chǎn)物——紅黏土進(jìn)入節(jié)理內(nèi)，形成充填介質(zhì)。現(xiàn)有研究成果多集中在節(jié)理角度、數(shù)目等因素對爆炸應(yīng)力波傳播影響方面，而對節(jié)理充填介質(zhì)成分因素的影響缺乏足夠研究。本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，以平羅高速栗木山隧道施工揭露的層狀節(jié)理巖體和充填介質(zhì)紅黏土為研究對象，通過模型試驗，研究不同節(jié)理充填介質(zhì)厚度時巖體內(nèi)爆炸應(yīng)力波的傳播規(guī)律，以優(yōu)化隧道掘進(jìn)爆破參數(shù)，降低節(jié)理對爆破效果的影響。

1 試驗方案

1.1 模型制作

由于采用含節(jié)理巖體原巖進(jìn)行試驗較為困難，而水泥砂漿與巖體的物理力學(xué)特性相似，因此采用水泥砂漿模擬巖體。節(jié)理充填介質(zhì)采用現(xiàn)場實際揭露的紅黏土。

水泥選用“八公山”牌PC32.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為干燥的淮河中砂，水泥砂漿的組成配比為水泥∶中砂∶水=2∶2∶1。模型體采用直徑0.6 m、高度0.4 m的圓柱體。節(jié)理采用預(yù)留空腔充填紅黏土的方法，具體為：將直徑10 mm的PVC管按一定比例切開，凹邊合并在一起并用膠水粘牢，即形成月牙形模具；將月牙形模具埋置在砂漿中，待模型體硬化即可拔出模具，得到節(jié)理空腔。澆筑的模型體及模具如圖1所示。

圖1 澆筑的模型Fig.1 Model pouring

為觀測爆炸應(yīng)力波通過不同節(jié)理厚度時的變化特征，采用BFH120-5AA-Q3型電阻應(yīng)變片測試爆炸應(yīng)力波的變化，在無節(jié)理側(cè)距炮孔中心50 mm處布置1個測點，利用月牙空腔不同角度所對應(yīng)的節(jié)理充填介質(zhì)厚度不同，在穿過節(jié)理一側(cè)布置4個測點，對應(yīng)節(jié)理充填介質(zhì)厚度分別為8，12，16和20 mm，每個測點均設(shè)置了橫向和縱向2個應(yīng)變片。應(yīng)變片事先粘貼在應(yīng)變磚上，澆筑前所有應(yīng)變磚固定在直徑0.2 m的鋼絲網(wǎng)上，以保持所有應(yīng)變片在同心圓上。模型澆筑3 d后脫模，覆蓋濕潤草席并灑水養(yǎng)護(hù)28 d。將取自栗木山隧道現(xiàn)場的紅黏土土樣剔除碎石子，填入月牙形空腔。在模型中間鉆直徑6 mm的炮孔，如圖2所示。

圖2 測點與炮孔布置Fig.2 Measuring points and blast hole layout

模型澆筑的同時，制作直徑50 mm、高度100 mm圓柱體試件用來測試砂漿的物理力學(xué)參數(shù)，養(yǎng)護(hù)28 d后測得單軸抗壓強度31 MPa、彈性模量為3.2 GPa。

1.2 測試系統(tǒng)

爆炸應(yīng)變波信號采集采用TST3406動態(tài)測試分析儀和CS-1D超動態(tài)電阻應(yīng)變儀組成的超動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，如圖3所示。TST3406動態(tài)測試分析儀采樣頻率為10 MHz，采樣長度為4 ms。

圖3 試驗測試系統(tǒng)Fig.3 Testing system

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同節(jié)理厚度爆炸應(yīng)力波的衰減規(guī)律

在模型體炮孔內(nèi)裝入2 g黑索金，用電雷管(裝藥量0.3 g)引爆。測試系統(tǒng)采集的電壓信號數(shù)據(jù)通過公式(1)、(2)換算為應(yīng)變和應(yīng)力：

(1)

σ=Eε

(2)

式中：ε為換算后測得的應(yīng)變值；σ為換算后測得的應(yīng)力值，MPa；U0為所測得的電壓值，V；U1為設(shè)定橋壓值，V；k為應(yīng)變片靈敏系數(shù)，取2.08；A為電阻應(yīng)變儀的增益倍數(shù)；E為模型體的彈性模量，GPa。

計算得到不同充填介質(zhì)厚度處測點的橫向和縱向應(yīng)變片測試應(yīng)力時程曲線，如圖4和圖5所示。由于應(yīng)變片測試時受拉為正值、受壓為負(fù)值，測得的均為壓應(yīng)力，故圖4和圖5應(yīng)力時程曲線中均為負(fù)值。為便于比較大小，下文用其絕對值進(jìn)行分析。

圖4 不同充填厚度時橫向應(yīng)變片應(yīng)力時程Fig.4 Stress-time history curves of different filling thickness for transverse strain gauges

圖5 不同充填厚度時縱向應(yīng)變片應(yīng)力時程Fig.5 Stress-time history curves of different filling thickness for longitudinal strain gauges

由圖4和圖5分析，可得到應(yīng)力波變化特征：

1)起爆后，測點處爆炸應(yīng)力波迅速增長，無論橫向還是縱向應(yīng)變片，通過節(jié)理后的峰值應(yīng)力相比于無節(jié)理側(cè)的峰值應(yīng)力明顯降低，且隨著穿過節(jié)理充填介質(zhì)厚度的增加，應(yīng)力波峰值呈減小趨勢。其主要原因為爆炸應(yīng)力波穿過節(jié)理時，由于節(jié)理充填介質(zhì)的波阻抗(密度和縱波波速)與兩側(cè)模型體不同，在節(jié)理充填介質(zhì)和模型體的交界面上應(yīng)力波產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，同時節(jié)理充填介質(zhì)吸收了部分能量。具體表現(xiàn)為，節(jié)理充填介質(zhì)厚度越大，應(yīng)力波衰減幅度越大。

2)爆炸應(yīng)力波在模型體傳播過程中測點處應(yīng)力到達(dá)峰值的時間具有明顯的間隔。對于縱向應(yīng)變片，無節(jié)理側(cè)爆炸應(yīng)力波在1.1 μs時率先達(dá)到峰值，而節(jié)理充填介質(zhì)厚度為8，12，16和20 mm測點處應(yīng)力到達(dá)峰值的時間分別為2.5,2.9,3.3和3.9 μs，滯后時間0.1～0.15 μs/mm；橫向應(yīng)力波的變化與縱向一樣具有較好的一致性。表明節(jié)理充填介質(zhì)的存在阻隔了應(yīng)力波的傳播，使應(yīng)力波達(dá)到峰值的時間出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，隨著節(jié)理充填介質(zhì)厚度的增大，滯后時間越長，這是因為節(jié)理充填介質(zhì)的縱波波速(紅黏土縱波波速測試值500～600 m/s)比砂漿小，應(yīng)力波在節(jié)理充填介質(zhì)中的傳播速度較模型體中緩慢，增加了應(yīng)力波的傳播時間[15]。

為了更好地研究爆炸應(yīng)力波峰值與節(jié)理充填介質(zhì)厚度之間的關(guān)系，提取不同厚度時的應(yīng)力峰值(見表1)，將其導(dǎo)入Origin9.0軟件，擬合得出峰值應(yīng)力σ與節(jié)理充填介質(zhì)厚度h的關(guān)系，如圖6所示。

表1 不同充填厚度時爆炸應(yīng)力波峰值Table 1 Peak value of blasting stress wave at different filling thickness

由圖6可知，無論橫向還是縱向的峰值應(yīng)力均隨節(jié)理厚度的增加呈線性衰減，在節(jié)理充填介質(zhì)厚度從8 mm增加到20 mm的過程中，橫向峰值應(yīng)力從94.35 MPa降到44.1 MPa，衰減了53.25%，平均衰減速率為4.188 MPa/mm；縱向峰值應(yīng)力從92.25 MPa降為65.55 MPa，衰減了28.94%，平均衰減速率為2.225 MPa/mm。橫向峰值應(yīng)力的衰減速率大于縱向峰值應(yīng)力的衰減速率，由此可見，節(jié)理充填介質(zhì)對爆炸應(yīng)力波的吸收存在各向異性。

圖6 充填厚度與爆炸應(yīng)力波峰值的關(guān)系Fig.6 Relationship between filling thickness and blasting stress wave

2.2 爆生裂隙擴展分析

爆破后，由于節(jié)理面的導(dǎo)向作用，炮孔與節(jié)理充填介質(zhì)間的砂漿完全破碎，爆破破碎情況及爆生裂紋走向如圖7所示。

圖7 爆破后炮孔周圍破碎情況Fig.7 State of fracture nearby blast hole after blasting

由圖7(a)可知，爆生裂紋的產(chǎn)生、擴展與爆炸應(yīng)力波在模型體中的傳播密切相關(guān)，圓柱形模型體表面出現(xiàn)了3條主裂紋：1條裂紋斜穿過節(jié)理，其他2條裂紋均分布在無節(jié)理側(cè)；相對于穿過節(jié)理的裂紋，無節(jié)理側(cè)裂紋的寬度和深度較大，以正對節(jié)理的裂紋為最(最寬處達(dá)2 mm)。這是因為無節(jié)理側(cè)爆炸應(yīng)力波沒有因節(jié)理充填介質(zhì)而造成能量損失，使能量得到充分的利用，加大了爆炸應(yīng)力波的影響范圍，當(dāng)裂紋起裂后，爆生氣體迅速貫入裂紋產(chǎn)生氣楔作用，繼續(xù)推動裂紋擴展，使其寬度和深度增大。對于節(jié)理充填介質(zhì)一側(cè)，爆生氣體進(jìn)入節(jié)理后，沖擊壓密填充介質(zhì)，消耗了較多的能量，因此穿過節(jié)理的裂紋較少且出現(xiàn)填充介質(zhì)被擠出空腔的現(xiàn)象。

炮孔附近區(qū)域模型體受到的爆炸應(yīng)力波加載率高，由于節(jié)理填充介質(zhì)的密度、彈性模量和縱波速度均比兩側(cè)模型體小，爆炸應(yīng)力波傳至二者的界面處發(fā)生反射，反射回去的波與隨后繼續(xù)傳來的波相疊加，增加了應(yīng)力波強度，2.3 g炸藥爆炸產(chǎn)生的能量使炮孔和節(jié)理充填介質(zhì)間模型體的破壞加劇、完全破碎，形成粉碎區(qū)；而另一側(cè)無明顯破碎區(qū)，半個炮孔仍保留在模型體上，如圖7(b)所示。表明節(jié)理的存在對爆炸近區(qū)裂紋擴展存在導(dǎo)向作用，主要爆炸能量消耗在節(jié)理側(cè)巖體多度粉碎上，減小了爆破裂隙區(qū)的范圍，在工程中不利于預(yù)期目標(biāo)的實現(xiàn)，具體表現(xiàn)為掏槽爆破槽腔體積小、掏槽效果差，周邊光面爆破炮孔間貫穿裂隙少、易超欠挖。

3 爆破參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)用

根據(jù)試驗結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場工程實踐，對爆破方案與參數(shù)，尤其是掏槽和光面爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化：

1)合理布置炮孔。控制炮孔間、炮孔與節(jié)理面間的距離，對層厚0.5 m以上的巖層，炮孔與節(jié)理面間的距離不小于0.2 m。

2)掏槽爆破。采用4對楔形掏槽眼、中部布置3～4個中心直眼的混合掏槽形式，增加掏槽爆破藥量，提高掏槽效果。

3)光面爆破。頂眼、幫眼采用導(dǎo)爆索間隔裝藥結(jié)構(gòu)，Ⅲ級圍巖裝藥集中度0.3～0.35 kg/m，Ⅳ級圍巖裝藥集中度0.2～0.3 kg/m；炸藥采用直徑32 mm的2號巖石乳化炸藥，單個藥卷長度0.2 m，質(zhì)量200 g，裝藥時將藥卷割斷，每段0.1 m、間隔0.3～0.5 m捆綁于竹片上，藥卷間用導(dǎo)爆索相連，所有炮孔導(dǎo)爆索與主爆索相連，主爆索綁上MS13段導(dǎo)爆管雷管起爆。

采用優(yōu)化后的爆破參數(shù)現(xiàn)場試驗時，炮孔利用率達(dá)92%以上；光面爆破頂眼半孔率達(dá)90%以上，超挖量控制在允許范圍內(nèi)，爆破效果如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后光面爆破效果Fig.8 Smooth blasting effect after parameters optimizing

4 結(jié)論

1)節(jié)理面和充填介質(zhì)紅黏土吸收并延緩爆炸應(yīng)力波的傳播，衰減程度隨著節(jié)理充填介質(zhì)厚度的增大而增大、應(yīng)力波到達(dá)峰值的時間隨厚度增大而滯后，對于研究的紅黏土，衰減速率為2.225～4.188 MPa/mm，滯后時間0.1～0.15 μs/mm；可根據(jù)巖層與節(jié)理充填介質(zhì)厚度調(diào)整炮孔間距和裝藥量。

2)爆炸應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播具有各向異性，橫向應(yīng)力的衰減速率大于縱向應(yīng)力的衰減速率，均隨節(jié)理厚度的增加呈線性衰減。

3)節(jié)理的存在對巖體的破碎具有導(dǎo)向作用，加劇節(jié)理側(cè)巖體破碎。應(yīng)控制炮孔至節(jié)理面的距離，周邊孔控制裝藥量，宜采用空氣間隔分段裝藥。