抑制預裂縫端部翼裂紋起裂動焦散實驗研究

蘇 洪，龔 悅，李 凱

(1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001；2.江西藍翔重工有限公司，江西 萍鄉 337000)

目前，隨著我國經濟快速發展，基礎建設大量展開，在礦山、隧道開挖等基礎工程中由于爆破法施工具有經濟、高效、施工簡單等優點，被廣泛應用[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。控制圍巖損傷主要有光面爆破和預裂爆破兩類，其中光面爆破自上世紀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域得到廣泛應用。同時國內外學者對預裂爆破也展開了大量研究。

袁康[2]利用彈性力學、斷裂力學、損傷力學等理論對預裂爆破成縫機理開展研究，取得良好預裂縫的爆破參數。楊仁樹[3]利用光電綜合測試系統，研究了兩相鄰預裂孔同時起爆，兩炮孔貫穿裂紋和炮孔外側裂紋擴展的動態行為。李新平[4]采用數值模擬方法，研究不同裝藥結構對預裂爆破效果的影響。唐海[5]運用循環爆破和無損檢測探損，獲取預裂爆破在不同條件下的應力波傳播規律和損傷范圍。陳俊樺[6]引入巖石爆破損傷、應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上，提出預裂爆破參數計算式。張超[7]將聚能技術和預裂爆破技術相結合，應用到瓦斯抽放中，取得了良好的效果，并分析了該種技術機理。楊超[8]根據開挖巖體的地質特征,對間隔裝藥結構不耦合系數、線裝藥密度等進行理論計算,然后進行實驗對比分析,確定針對不同巖性部位設置預裂爆破的合理參數。

綜上，學者對預裂爆破的研究主要集中在預裂成縫和預裂爆破應用兩方面，取得了豐碩的研究成果。預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，但實際爆破工程中，巖體特性千變萬化，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，如果預裂爆破形成的預裂縫之間沒有相互貫通，在主爆區爆炸荷載的作用下，預裂縫的尖端易產生翼裂紋，向保留巖體擴展，對保留巖體造成破壞。因此需要對抑制預裂縫尖端產生翼裂紋展開研究，以保護保留巖體。為此，利用動焦散系統對這一問題開展實驗研究，以期獲得有意義結論，為工程實踐提供幫助。

1 實驗設計

空孔具有引導定向裂紋擴展的作用，有利于形成規整輪廓面。為此設想在兩預裂孔之間設置空孔，先以空孔引導定向裂紋，再以空孔抑制定向裂紋尖端產生翼裂紋，達到既形成規整預裂面又抑制預裂縫尖端產生翼裂紋的目的。

試件材料采用PMMA，幾何尺寸為400 mm×300 mm×5 mm。由于空孔引導裂紋不是本文研究的重點，所以假設預裂爆破形成的預裂縫A和空孔C、D已經貫通，預裂縫靠近炮孔一側巖體為被爆巖體，預裂縫背離炮孔一側巖體為保留巖體(見圖1)。預裂縫A與炮孔B相距25 mm，空孔C、D分別布置在預裂縫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，實驗爆炸加載的炸藥為疊氮化鉛，藥量160 mg。

圖1 實驗模型Fig.1 Experimental model

2 動態焦散線實驗原理

實驗采用數字激光動態焦散線系統(見圖2)，由激光、擴束鏡、透鏡、高速相機組成。激光發出的點光源經擴束鏡變成散光源，散光源經透鏡1后變成平行光場，平行光場經透鏡2后會再變成點光源，在高速相機中成像。試件置于兩透鏡之間，即平行光場中。試件在荷載作用下，其厚度發生變化，折射率也隨即發生變化，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，偏離平行狀態的光線會在傳播路徑上形成光強分布不均的圖像，陰影區稱為焦散斑。

圖2 動焦散實驗系統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力q作用，在豎直方向受應力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系[10]為

(1)

式中：p-q為空孔周圍主應力差；z0為參考平面到試件的距離，本文取800 mm；c為應力光學常數；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 實驗結果與分析

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，并產生5～8條主裂紋; 預裂縫阻斷了主裂紋向保留巖體擴展；當有空孔時，主裂紋向空孔方向擴展，說明空孔對裂紋擴展有一定的引導作用；當預裂縫尖端無空孔時，在爆炸荷載作用下，預裂縫尖端產生翼裂紋，向保留巖體擴展；當預裂縫尖端有空孔時，無論空孔大小，均不會產生翼裂紋向保留巖體擴展。可見，如果在兩相鄰預裂炮孔中間設置空孔，不僅可以引導預裂孔產生的定向裂紋向空孔擴展，還可以抑制裂縫尖端產生新的翼裂紋向保留巖體擴展，對保留巖體起到很好保護。

圖4 實驗結果Fig.4 Experimental result

4 焦散線行為分析

模型動焦散行為如圖5所示，當空孔半徑R=3 mm時，炸藥爆炸后產生應力波以圓形波陣面向外擴張，20s時應力波傳至空孔處，在空孔處不僅形成反射應力波和繞射應力波，還在空孔周圍形成復雜應力場，出現應力集中現象，表現為“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，特征點的連線過空孔中心，隨著爆炸荷載的持續加載，空孔周圍的焦散斑以空孔中心為圓心開始轉動，大小不斷變化，焦散斑的轉動方向體現了空孔周圍主應力方向，焦散斑的大小體現了空孔周圍應力場的強弱。當R=5 mm和R=7.5 mm時，其空孔周圍焦散斑變化規律基本和R=3 mm時類似，區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Fig.5 Caustic photos

空孔周圍主應力差值隨時間變化和空孔周圍焦散斑特征點連線與水平線夾角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，主應力差值呈現振蕩變化規律，當應力波作用于空孔后，空孔周圍的主應力差值先振蕩性增加，增加到主應力差峰值后再振蕩性下降。3種半徑的空孔模型周圍主應力差峰值出現時間集中在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生翼裂紋。3種半徑的空孔模型主應力差結束時間分別為430、270、170s，這說明空孔半徑越大，應力差消失越快。從圖6b可以看出，空孔周圍主應力場方向也呈現振蕩性變化規律，3種模型的特征點連線與水平線夾角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°。可見，隨著空孔半徑的增加，特征點連線與水平線夾角θ逐漸增大。通過以上空孔周圍應力場強弱、主應力差大小和應力場方向分析，可以得出，隨著空孔半徑增大，空孔導向作用明顯，主應力差減小，空孔壁更難斷裂，產生新的翼裂紋。

5 結論

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

2)在爆炸荷載作用下空孔周圍形成復雜應力場，出現應力集中現象。

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