珊瑚礁灰巖水下鉆孔爆破破裂特征試驗研究*

鐘冬望，熊 偉，孟慶山，司劍峰，伍 岳

(1.武漢科技大學 a.理學院;b.湖北省智能爆破工程技術研究中心，武漢 430065；2.中科院 武漢巖土力學研究所，武漢 430071)

水下鉆孔爆破被廣泛應用于河岸，海岸，島礁，等水下巖體的拆除或開挖工程中。與露天爆破相比，在水下鉆孔爆破中，由于自由面上的能量反射和水體本身的晃動耗散，會損失大約30%的額外能量[1]。因此，要在安全的前提下盡量提高設計精度。目前，爆破設計主要基于經驗，設計不當可能導致爆破效果不佳或者危害過大。其中，塊度大小與預期不一致是一個亟待解決的問題。為了提高碎石效率，同時降低實際操作中的振動危害，采用了許多改進措施，例如增加炸藥裝填量，減小鉆孔深度以及增加炮孔密度等[2]。為了總體上改善爆破設計，必須科學的理解單孔周圍巖石破裂特征。通常，爆炸引起的破壞區域包括炮孔膨脹區[3]，壓碎區，破裂區及彈性震動區[4]。

珊瑚礁灰巖是屬于海相生物成因的碳酸鹽類灰巖，廣泛分布于我國海域中。根據礁灰巖結構特征和組分劃分，礁灰巖的分為珊瑚灰巖，珊瑚礫塊灰巖，生物砂礫塊灰巖，珊瑚礫屑灰巖，生物砂礫屑灰巖，珊瑚藻石砂礫屑灰巖，生物礫砂屑灰巖，含礫砂屑灰巖，生物砂屑灰巖九種類型[5]。目前，針對珊瑚礁灰巖的力學研究相對較少，王新志等對礁灰巖進行了物理性質和力學性質測試，發現珊瑚礁灰巖的孔隙率較大，抗壓強度較低但峰后殘余強度[6]。孟慶山，范超等通過霍普金森壓桿研究了礁灰巖的動態力學特性[7]，發現礁灰巖的單軸沖擊荷載下礁灰巖主要發生沿軸向的張拉破壞，且主要發生在生物組分、珊瑚礫塊與珊瑚藻的膠結面等薄弱部位。但是，關于水下爆炸荷載作用下的礁灰巖的特征還沒有進行研究。目前，水下破巖機理的試驗研究大部分都是采用混凝土制作的試樣來模擬巖體。趙根通過深水條件下爆破破碎效果模型試驗，提出了水下爆破塊度預測模型和水下炸藥單耗的修正公式[8]。而珊瑚礁灰巖是一種多孔隙的生物成因巖體，當巖體受到爆炸載荷時，爆炸應力波和爆炸氣體膨脹壓力共同作用是破壞巖石的主要因素，天然孔隙和裂縫的存在對巖石的動力特性和應力波的傳遞有十分重要的影響[9]。隨著國家對海洋資源的開發，一系列島礁爆破工程的設計急需研究珊瑚礁灰巖在水下爆破荷載作用下的破碎特征。因此，本文利用珊瑚礁灰巖這種特殊的水下巖體，進行了一系列的爆破試驗，研究了不同水深對水下鉆孔爆破礁灰巖破碎性能的影響，得出了一些規律性的成果，對工程中珊瑚礁灰巖爆破設計具有一定的參考意義。

1 模型實驗

1.1 試驗方案

試驗所用的礁灰巖試件為某海域內的珊瑚礁灰巖巖心，試件高120 mm，直徑為84 mm。本次試驗所用的珊瑚礁灰巖有珊瑚灰巖，珊瑚礫塊灰巖，生物砂礫塊灰巖，珊瑚礫屑灰巖四種類型，如圖1(a)所示。取部分代表性巖體進行了力學測試，其具體的物理力學參數如表1所示。在試樣上鉆取孔深為65 mm，直徑為8 mm的炮孔。為了模擬不同水深的水下爆破環境，通過武漢科技大學智能爆破技術研究中心的可模擬200 m水深爆炸容器(圖1(b))加壓進行模擬。為模擬圍壓，在爆破試驗前，試件基底需與加工的底座利用螺絲固定，試件周圍利用同等大小的橡膠圈包裹，橡膠圈外在用鐵皮固定，見圖1(c)。

表1 礁灰巖的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of reef limestone

圖 1 試驗設備圖Fig. 1 Experimental equipment diagram

1.2 試驗過程

采用單個炮孔的圓柱體進行爆破試驗是目前存在的最簡單也最常用的試驗方式，它已經被用于研究多種外部因素對爆破效果的影響[10,11]。本次試驗針對四種不同類型的圓柱體珊瑚礁灰巖試樣分別進行了水下50 m、100 m、150 m三種水深的爆破試驗。其中，三個水深分別對應0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa三個壓強；本次試驗所用藥包采用經過特殊處理的防水藥包，藥量通過精度為0.01 g的小量程電子秤確定，均為0.1 g，裝藥深度30 mm。利用溶膠堵塞炮孔，堵塞長度為35 mm，且裝藥方式均為耦合裝藥。在所有的設備準備完成后，封閉爆炸容器的人孔并將爆炸容器內加滿水，將固定并裝藥完成后的的試件通過自制的可控制托盤從裝藥口放置在爆炸容器內部中間的平臺上。封閉爆炸容器，利用試壓泵加壓到目標壓強，達到該壓強后關閉試壓泵并起爆。試驗分組及每個試件的質量如表2所示。爆破完成后泄壓并從裝藥口取出試樣，將固定裝置和橡膠皮移除，分析每個試件的破碎特征。

表2 試驗分組情況Table 2 Experimental grouping

2 實驗結果與討論

試驗表明，礁灰巖爆后的破裂情況與強度有關，強度最低的珊瑚礫屑灰巖試樣在爆破后均破碎成塊；強度相對較高的珊瑚灰巖，珊瑚礫塊灰巖，生物砂礫塊灰巖試樣在爆破后未破碎成塊，但都能觀察到明顯的破壞現象。

2.1 破碎塊度分布

珊瑚礫屑灰巖試樣在爆后都破碎成塊，采用自制的托盤和紗網收集并統計塊度發分布情況。三種水深情況下爆破后的破碎塊度如圖2所示。

圖 2 不同水壓下珊瑚礫屑灰巖爆破后破碎塊度圖Fig. 2 Fragmentation of coral gravel limestone after blasting under different water pressures

對于實驗的基底部分，由于基底被固定，模擬的是工程中的地基部分，因此在統計塊度分布時將不考慮基底部分。試驗后發現，塊度小于30 mm以下的基本為粉末，測量粒徑的難度很大，因此將30 mm以下的塊度一起統計，并定義為小塊。將塊度稱重并測量直徑后統計如表3所示，得到珊瑚礫屑灰巖爆破后塊度前四大塊的質量占比-直徑分布圖如圖3。

表3 三種水壓情況下試件爆后的塊度分布Table 3 Fragment size distribution after explosion under three kinds of water pressure

從圖3中可以看出，在不同水壓下，爆破后珊瑚礫屑灰巖破碎的最大塊隨著水壓的增大明顯增大。1 MPa和1.5 MPa水壓與0.5 MPa相比，前四塊的直徑與水壓的關系也十分明顯，即隨著水壓的增大，塊度的直徑也隨之增大。說明在水下鉆孔爆破中，礁灰巖爆破后破碎的大塊率隨著水壓明顯上升。而對于1 MPa和1.5 MPa的水壓，僅僅在最大塊存在明顯的規律，這是由于珊瑚礁灰巖在形成過程中與海洋中的生物介質有十分明顯的關系。孟慶山，范超等通過霍普金森壓桿對礁灰巖進行了動態力學實驗[7]，發現生物組分與珊瑚礫塊及藻類的膠結面的抗拉強度極低，是礁灰巖的脆弱部分。而在較高的沖擊荷載下，巖質和生物組分一起破碎為細小碎塊，生物組分對試件的弱化作用相對減小。在該試驗中，水壓間隔在1 MPa時，生物組分對礁灰巖的影響也相對變小。

圖 3 不同水壓下珊瑚礫屑灰巖前四塊質量占比-直徑分布圖Fig. 3 Proportion-diameter distribution of the first four blocks of coral gravel limestone under different water pressures

關于爆破塊度的分布函數，國內外學者依據大量的數據提出了多種經驗模型。目前，Finn Ouchterlony提出的Swebrec分布函數相應用比較廣泛[12]。其具體表達形式如下

(1)

式中：PSwe的有效范圍為，0

通過表3中的數據，我們可以得到三種水壓情況下的平均塊度x50和最大塊度xmax，得到的數據如表4所示。

表4 三種水壓情況下試件爆后的塊度分布特征Table 4 Fragmentation distribution characteristics of specimens under three kinds of water pressure

將三種水壓情況下的塊度按照swebrec分布函數進行擬合，如圖4所示，在水壓為1 MPa和1.5 MPa時，該函數具有拐點，根據swebrec函數的性質，該分布函數具有一個拐點xinf

(2)

當b趨近于1時，xinf趨近于xmax；當b趨近于2時，xinf趨近于x50；當b繼續增大時，xinf的值將會移到x的較小值然后又回到x50。

擬合完成后的相關性系數R2都在0.95以上。說明Swebrec分布函數不僅適合露天爆破的塊度分布，在水下爆破時，珊瑚礫屑灰巖的塊度分布同樣符合Swebrec塊度分布函數。見圖4。

圖 4 珊瑚礫屑灰巖Swebrec塊度分布函數擬合圖Fig. 4 Fitting diagram of swebrec block size distribution function of coral gravel limestone

2.2 爆后炮孔附近外觀分析

試驗發現炮孔附近的破裂情況與強度有關，生物砂礫塊灰巖在炮孔附近能夠觀察到破壞，而強度高的礁灰巖炮孔周圍觀察不到明顯的破壞。在炮孔外，礁灰巖受到強烈的三向非均勻壓縮應力作用，形成一個以壓碎和剪切破壞為主的壓碎區。由于壓碎區在以藥柱為中心的巖體橫向切面上，因此只能分析爆后炮孔附近的外觀。試驗后發現，礁灰巖試樣在爆破后表現出明顯的損傷，但破壞形式和其他陸地上的巖石有明顯區別。對于部分礁灰巖，爆破會擴大原有的天然裂隙，炮孔和天然裂隙貫穿。圖5(a)所示為M3爆破后的圖片，雖然炮孔周圍觀察不到明顯的破壞區域，但在炮孔和天然裂隙之間的細屑將會崩落，導致炮孔和天然裂隙貫通。生物砂礫塊灰巖試樣在爆后炮孔周圍的質地明顯不同于外部區域，試樣Z5、Z6、Z9在炮孔周圍可觀察到較為明顯的破壞現象，即炮孔周圍有礁灰巖碎屑崩落。如圖5(b)所示，圓圈內為生物砂礫塊灰巖爆后炮孔附近的破壞形式。

圖 5 炮孔附近破壞形式示意圖Fig. 5 Schematic diagram of failure mode near blast hole

通過圖5(b)、(c)、(d)可以看出，珊瑚礁灰巖在爆破后炮孔周圍的破壞形式與一般巖石爆破后的炮孔周圍的破壞外觀存在明顯區別。對于一般巖石爆破后，炮孔周圍會形成明顯的圓周型裂紋，但是在本次試驗中，礁灰巖的炮孔附近并沒有觀察到特別明顯的徑向和切向裂紋，而是在炮孔附近發生了細小碎屑的崩落。這可能是徑向裂紋與切向裂紋共同作用的結果。隨著水深的增加，生物砂礫塊灰巖炮孔附近的破壞也在發生變化，即50 m水深條件下能夠觀察到明顯的崩落，而在150 m水深時，崩落的現象變的不是十分明顯。

為了進一步的了解爆后礁灰巖炮孔外觀的特性，可以通過壓碎區的半經驗公式來推斷影響炮孔附近外觀特性的主要因素。

Esen S,Onederra等人提出了計算壓碎區半徑的半經驗公式[13]

Rc=0.812rh(CZI)0.219

(3)

(4)

K=Ed/(1+vd)

(5)

式中：rh為炮孔直徑；pb為炮孔壓力；σc為抗壓強度；Ed為動態楊氏模量；vd為動態泊松比。

利用理想爆轟理論確定爆轟壓力

(6)

式中：PCJ、DCJ、ρ0和γ分別為CJ爆壓Pa，CJ爆速(m/s),未反應炸藥密度(kg/m3)和絕熱指數。對于完全耦合孔的鉆孔壓力可以通過下式給出

(7)

可以看出，在同種巖石的情況下，壓碎區的半徑是與爆速呈正比關系的，而根據趙根在其博士論文中給出的資料[8]，在10 m水深中浸泡一段時間后，乳化炸藥的爆速會下降11%；而當水深增加到30 m 時，爆速將衰減26%。這是本試驗中炮孔附近的破壞隨著水深的增加變得不明顯的主要原因。

李春軍通過數值模擬及理論分析認為[14]，在保持其他條件不變的情況下，爆炸腔內的爆生氣體壓力相對于靜水壓力而言要大得多，即使在數百米水下，對爆破體增加的水壓力僅為幾個兆帕，與爆生氣體壓力相比顯得微不足道。因此，水深對生物砂礫塊灰巖炮孔附近破壞形式的影響主要是因為炸藥爆速隨水深變化引起的，由于水深變化而引起的靜水壓力變化對其影響很小。

2.3 表觀裂紋分析

對于珊瑚灰巖，珊瑚礫塊灰巖，生物砂礫塊灰巖三種類型的珊瑚礁灰巖，爆后也產生了徑向裂紋，大部分圓柱形礁灰巖試樣在爆炸后會產生三條隨機分布并貫穿試件的裂紋。除Q4試件以外，試件Q5、Q6、M7伴隨細小裂紋擴展向礁灰巖邊界；試樣M8、M3裂紋較粗且貫穿試件，Z5、Z6、Z9也有更加微小的裂紋擴展向試件邊界。圖6展示了9個試樣在爆后的裂紋圖片(其中綠色線條為不易在圖中觀察到的微小裂紋)。

圖 6 不同水壓下礁灰巖裂紋情況Fig. 6 Cracks of reef limestone under different water pressures

三種水壓情況下兩種試樣在爆后的裂紋數量統計如表5。通過表5可以看出，除了Q4因為炸藥爆燃或沖炮未產生裂紋以外，其他試樣的裂紋和水壓都有很明顯的關系。150 m水壓條件下三種礁灰巖都只產生兩條貫穿裂紋，而50 m水深條件下裂紋數量都在3條以上；且隨著水深的增加，裂紋的寬度也在減小。即對于同種類型的礁灰巖，爆破產生的裂紋數量和寬度都會隨著水壓的增加而減小。

表 5 三種水壓情況下試件爆后的裂紋數量Table 5 Number of cracks after explosion under three kinds of water pressure

試驗后發現，在相同水深條件下，對于強度較低的生物砂礫塊灰巖試樣，爆破產生的裂隙反而十分微小，強度較高的珊瑚灰巖類和珊瑚礫塊灰巖相比要小得多。D Su等通過在PMMA材料中預制天然裂縫的試驗發現[9]，天然裂縫對于爆破裂紋的產生具有十分重要的影響。天然裂隙的存在改變了爆炸應力波的傳播路徑及試件本身的力學性質，爆后試件將會形成圓周型裂紋。巖體內天然裂隙的存在對爆炸應力波的影響主要有兩個方面[15]：一方面天然裂隙的存在會導致應力波在裂隙處發生反射和透射，從而改變了爆炸應力波的傳播路徑及其性質，進而改變了應力波對介質的作用形式；另一方面，爆炸應力波本身在天然裂隙處也會發生相互作用，使爆炸應力波的能量大量損耗。在本文的試驗中，強度較低的珊瑚礫塊灰巖試件的天然孔隙眾多，從圖6中可以看出，礁灰巖的裂紋擴展會受到天然孔隙的引導而順著孔隙貫通試件，說明應力波在裂隙處發生了反射和透射，天然裂隙改變了應力波的傳播路徑和作用形式。另一方面，爆炸應力波自身在天然裂隙處的相互作用也導致能量在天然孔隙中消耗較多。由于這兩個方面的共同影響，導致生物砂礫塊灰巖爆生裂紋十分微小。即在同種水深的條件下，由于生物砂礫塊灰巖眾多的天然裂隙阻斷了應力波的傳播，改變了應力波的傳播路徑和作用方式，從而導致珊瑚礫塊灰巖的裂隙十分微小。

3 結論

通過對四種類型的珊瑚礁灰巖(珊瑚灰巖，珊瑚礫塊灰巖，生物砂礫塊灰巖，珊瑚礫屑灰巖)進行三種不同水深的單孔爆破試驗后，主要得出以下結論：

(1)水下珊瑚礫屑灰巖爆破的大塊率隨水深的增加而升高且塊度分布符合swebrec分布函數，swebrec分布函數對水下礁灰巖爆破設計具有一定的指導意義。

(2)礁灰巖的破壞情況與巖石強度有關，珊瑚灰巖和珊瑚礫塊灰巖在炮孔周圍觀察不到明顯的破壞區，但在天然缺陷處會形成貫穿裂紋；生物砂礫塊灰巖在炮孔附近能夠觀察到明顯的破壞區域，且該區域會出現崩落現象。

(3)同種類型的珊瑚礁灰巖爆破后裂紋形成與水深有明顯的關系，裂紋的數量和寬度會隨著水深的升高而減小。

(4)對于強度較低以及天然孔隙較多的生物砂礫塊灰巖，天然裂隙處會阻斷應力波的傳播，還會導致爆炸應力波的傳播路徑和作用方式發生改變，導致在同種水深條件下，生物砂礫塊灰巖爆后裂紋的寬度明顯要小于珊瑚灰巖和珊瑚礫塊灰巖。