兩組無充填物節理對爆炸裂紋擴展的影響研究

王爽WANG Shuang；曾良ZENG Liang；唐春海TANG Chun-hai；蘇宇SU Yu；周泰安ZHOU Tai-an；張文龍ZHANG Wen-long

（①廣西大學，南寧 530004；②廣西工業設計研究院有限公司，南寧 530600）

0 引言

巖石作為工程爆破中主要的爆破對象，研究其力學性能有利于為巖土爆破提供理論基礎；自然界中的巖石因其受地質構造、剝蝕風化造成巖石力學性能有極大的改變，其中巖石地質構造能造成巖石裂縫，因此研究有巖石裂縫的巖石爆破對爆破研究有重要作用；基于此，國內外學者有以下研究：楊鑫、蒲傳金等利用有機玻璃模型進行實驗研究了距離爆源一定距離的單條人工裂縫對爆炸裂紋的影響、人工裂隙與炮孔中心虛線的不同度數對爆炸裂紋擴展的影響、不同寬度的人工裂隙對單炮孔爆炸爆炸裂紋的影響以及含有不同充填物的人工裂隙對爆炸裂紋擴展的影響[1-4]；劉際飛，璩世杰對巖石中不同角度的節理進行研究得出不同角度的節理對應力波、巖體中聲波速度有不同影響[5]。胡榮，朱哲明等通過含裂隙有機玻璃模型爆炸實驗發現裂隙與炮孔方位對爆生裂紋分布有很大影響[6]。G．W．Ma等利用數值模擬的方法探討總結了爆炸裂紋擴展與節理裂隙的相互作用的規律[7]。謝冰等研究了不同幾何特征裂隙對預裂爆破的影響[8]。萬端瑩，朱哲明等做了爆炸荷載作用下兩平行人工裂紋擴展試驗，并通過autodyn模擬研究平行裂紋對爆炸主裂紋的影響[9]。

以上通過實驗及模擬對爆炸裂紋的影響研究較為深入，但大多數僅考慮有一組節理的巖石對爆破的影響，而自然界中巖石的裂縫具有多樣性的特點，我們需要對多條及多條不同角度的裂縫對爆炸裂紋的影響。因此研究裂縫的數量及角度對爆炸裂紋的影響具有重要意義。

1 實驗設計及步驟

H．P．Rommanith等研究表明動載荷作用下有機玻璃的斷裂行為和巖石相似[10]，所以本次實驗模型采用有機玻璃做為試驗介質。

1.1 兩組平行節理實驗模型

有機玻璃板尺寸為長400mm×寬400mm×厚5mm；在實驗模型正中間人工做出直徑Ф7mm的炮孔，再在炮孔一側劃出兩條寬度為5mm長度為30mm的平行人工節理，為更好與自然中節理相似其兩端設置直徑5mm的半圓，以防爆炸時人工節理兩端出現應力集中，如圖1所示。其中△L為炮孔中心距離人工節理最近端的長度，δ為兩條裂縫的距離，試驗以△L=20mm、30mm、40mm，δ分別為10mm、20mm。

1.2 兩組有角度節理實驗模型

有機玻璃板尺寸為長400mm×寬400mm×厚5mm；在實驗模型正中間人工做出直徑Ф7mm的炮孔，再在炮孔一側劃出兩條寬度為5mm長度為30mm成一定角度的人工節理，為更好與自然中節理相似其兩端設置直徑5mm的半圓，以防爆炸時人工節理兩端出現應力集中，如圖2所示。其中△L為炮孔中心距離人工裂縫最近端的長度，θ為兩條裂縫的夾角，試驗以△L=20mm、30mm、40mm，θ分別為45°、135°。

圖1兩組平行節理試驗模型

圖2兩組有角度節理試驗模型

為確保炮孔壁和人工節理壁面光滑且垂直薄板表面，兩組模型的有機玻璃板、炮孔和人工節理均采用激光加工。

1.3 試驗步驟

①撕下有機玻璃保護膜，清理人工節理和炮孔，確保節理、炮孔內無雜物；

②試驗選用同批次、電阻值相近的數碼電子雷管，模型采用單發8號數碼電子爆炸加載；將雷管垂直于模型表面、主裝藥區同一位置對準模型后安放于炮孔內；

③將玻璃兩側置于試驗臺上，炮孔雷管正對處不得有阻擋以防爆生氣體、雷管金屬片反沖導致的玻璃傷裂；

④爆炸后回收模型并分析試驗結果。

2 試驗結果及分析

兩組實驗爆炸后有機玻璃模型如圖3所示。在分析前給出如下定義；沿炮孔徑向擴展、長度小于10m的裂紋稱為短裂紋，長度在10-20mm之間的裂紋稱為中裂紋，20mm以上的裂紋稱為長裂紋；人工裂隙端部產生的爆炸裂紋稱為翼裂紋。將與炮孔環向平行的裂紋稱為環向裂紋，有節理的一側劃分為Y區，無節理的一側為N區。以下將10mm、20mm平行間隔裂縫組分別稱為10mm組，20mm組；角度為45°、135°兩組節理分別稱為45°組、135°組。

2.1 爆炸區域劃分

在巖石中爆炸時會形成以炸藥為中心的由近及遠的不同破壞區域，分別稱為粉碎區、裂隙區和彈性振動區[10]。由圖3可知，試驗中這三個區的分界較明顯，粉碎區表現為空腔，裂隙區表現為不同長度的裂紋，彈性振動區表現為玻璃未發生破壞，各區的范圍經測量為：空腔區直徑為27、28mm，為炮孔直徑（7mm）的四倍左右，這與理論分析的一致。裂隙區最長裂隙為26-68mm，加上空腔區，裂隙區范圍為53-96mm，為炮孔直徑的7.6-13.7倍，注意到是裂隙區可以分為兩個區域，其破壞特點也有明顯區別，在靠近空腔的區域（較小），存在較多的徑向裂隙和環向裂隙，使得這個區域破碎較嚴重，而在該區域以外，則幾乎沒有環向裂隙。分析其原因，徑向裂隙的形成是由于徑向壓縮，產生了切向拉伸的應變，這種切向拉伸的應變大大超過了有機玻璃的動態抗拉強度，產生了徑向裂隙；而環向裂隙則是由于卸載引起的，壓縮波作用下，巖石儲存部分彈性變形能，壓縮波過后，巖石中的壓應力解除（卸載），由于巖石具有彈性，彈性變形能釋放，引起巖石向心（藥包）運動，此為拉應變，在此作用下，巖石中形成環向裂隙。由于本次實驗中，炮孔沒有填塞，爆轟氣體膨脹作用少，所以環向裂隙僅出現在靠近空腔的較小區域內（寬約4-5mm）；如圖4。

圖4爆炸裂紋分布情況

2.2 爆炸裂紋分析

2.2.1 裂紋數量特征

總數量如圖5所示，由圖可知，裂紋數量在20-35條之間，10mm組的裂紋總數隨△L的增大先增后減，裂紋總數最大值在△L=30mm處，20mm組的裂紋總數隨△L的增大而減少。

45°組裂紋數隨△L的增大先增后減，裂紋總數最大值在△L=20mm處，135°組裂紋總數隨△L的增大而增多。

10mm組中隨△L的增加N區短裂紋增多（見圖6），而Y區短裂紋減少（見圖7），中短裂紋主要集中在N區，長裂紋主要集中在N區。

圖6 N區裂紋數量

圖7 Y區裂紋數量

從以上特征可知，裂紋總數量與兩組節理的角度及節理距炮孔中心的距離有較大聯系，N區裂紋數量總數上比Y區多，因理論上球形爆炸在各個方向的能量是一樣的，實驗中，雷管僅部分在有機玻璃炮孔中且有機玻璃很薄可以看作雷管在有機玻璃的各個方向傳播的能量一樣，在節理距離炮孔較近，爆炸能量傳播到節理端點時因節理的存在其抗拉強度變低，開始產生裂紋，能量降低，因爆炸能量部分作用于節理尖端，所以作用于節理方向近處玻璃的能量有所降低，因而裂紋數量較少。

圖3各組試驗結果圖

圖5裂紋總數量

2.2.2 裂紋擴展分析

試驗中，兩條平行節理與爆炸應力波方向基本平行；兩條成角度的節理對爆炸應力波放射較小所以基本不存在層裂裂紋。這與蒲川金、楊鑫實驗研究結論一致[1]。

試驗中兩組成角度節理的兩端產生翼裂紋。分析其原因翼裂紋在節理端部產生，由于應力波在節理處反射以或沿著節理傳播，在節理端部兩側的應力波相交，并在節理端部形成應力集中，當應力超過玻璃的最大拉應力時開始產生翼裂紋；由表1可知，10mm組、20mm組翼裂紋的數量為2，45°組數量有3、4組，135°組有2、3、4組，因而平行節理對翼裂紋的數量影響不大，有角度的節理對翼裂紋的數量影響大，能增加翼裂紋的數量并有節理相互交叉角度較小時，翼裂紋數量更多，翼裂紋的長度隨節理距炮孔中心距離的增加而減少，在△L=40mm時裂紋長度急劇減少。δ對翼裂紋的長度影響不明顯，翼裂紋的長度在近處有隨△L增大而增長的的趨勢，在遠處隨△L的變化不明顯。

有機玻璃中長裂紋主要集中在N區，因N區無節理，爆炸應力波在無節理側傳播沒有收到節理阻擋反射。平行組中最長裂紋隨節理與炮孔中心的距離減少而增長隨節理的距離大小無明顯變化，可以看到在節理方向，幾乎沒有徑向裂紋，只有空腔和環向裂縫并在裂縫端點產生翼裂紋，因為裂縫會對應力波產生反射，部分應力波被反射回來，另一部分成為繞射波，與直接作用于端點的壓縮波共同作用使端點處產生了裂紋，當合應力小于有機玻璃開裂強度時，裂紋停止擴展。

表1裂紋特征表

3 結論

①炸藥爆炸后，在小區域范圍內形成爆炸空腔，形成裂隙范圍可達炮孔半徑的7.6-13.6倍。

②兩組平行節理的相互距離以及兩組節理與炮孔中心的距離大小對裂紋總數無明顯影響，對分區的有人工節理與無人工節理區域的裂紋數量影響較大；翼裂紋是爆炸應力波沿人工節理繞射形成繞射波作用產生的，兩組人工節理的相互角度對翼裂紋的總數量無明顯影響，翼裂紋的長度與節理距炮孔中心的距離、節理的相互角度有關。

③試驗中，模擬了兩組節理對爆炸巖石的影響，對有兩組節理的巖石工程爆破有一定參考價值，但試驗中節理裂縫無填塞物試驗不考慮節理裂隙中填塞物對爆炸應力波的影響。