爆炸荷载对邻近巷道背爆侧裂纹的影响规律

郭东明,刘 康,杨仁树,周宝威,王汉军

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083;3.北京工业职业技术学院建筑与测绘工程学院,北京 100042)

爆炸荷载对邻近巷道背爆侧裂纹的影响规律

郭东明1,2,刘 康1,杨仁树1,2,周宝威1,王汉军3

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083;3.北京工业职业技术学院建筑与测绘工程学院,北京 100042)

为了探究爆炸应力波对邻近巷道背爆侧隐性裂纹的影响规律,采用爆炸加载透射式动态焦散线系统,进行了试验研究。试验结果表明:在爆炸荷载作用下,邻近巷道围岩中存在裂纹缺陷的背爆侧也成为主要扰动区,且扰动大小与裂纹距巷道距离和裂纹长度有关;当裂纹长度为5 mm,裂纹与巷道间距分别为2,3,4和5 mm时,裂纹扩展过程中动态应力强度因子变化曲线呈现相似的规律,即当裂纹与巷道贯穿后快速增大到第1峰值,然后在峰值上下持续振荡一段时间后减小到0,所不同的是,在峰值上下振荡性变化的持续时间和期间的最大值逐渐减小,最大值依次为1.651,1.572,1.419和1.346 MN/m3/2,这决定了裂纹远端的最终扩展位移对应为25.197,16.378, 10.236和5.984 mm,呈逐渐减小的规律;裂纹与巷道间距的存在不仅对裂纹的扩展有一定的延迟作用,而且削弱了作用于裂纹远端的应力波能,并且这种延迟和削弱作用随裂纹与巷道间距的增大逐渐增强。

爆炸荷载;邻近巷道;背爆侧;裂纹缺陷;动态应力强度因子

煤矿由于生产需要,往往采用双巷或多巷平行布置,在掘进中新开挖巷道爆破施工常常对邻近巷道产生扰动作用,特别间距较小时,这种扰动现象尤其明显,甚至造成巷道失稳破坏,诱发冲击地压[1-2]。针对该问题,许多学者进行了大量的研究,如在理论研究方面,盖秉政、刘殿魁[3-4]等将爆炸应力波在传播过程中与地下结构物相互作用的问题看作无限介质中弹性波在孔洞周边绕射所引起的动应力集中问题,并采用复变函数方法进行了分析;在经验判据法[5]方面,国内外许多学者从工程实际出发,通过资料分析和工程类比提出了安全距离估算法、质点速度法和应力应变幅值法等方法;在动态有限元方面,刘慧、杨年华、彭道富等[6-8]通过现场实测和动态有限元分析,研究了近距离爆破对隧道周边振动场分布影响的分析,得出迎爆侧是最大振动加速度区,而背爆侧振动相对较轻;吴亮、钟冬望等[9-10]采用动力有限元法对爆破载荷作用下邻近隧道混凝土衬砌的质点加速度和应力分布情况进行了计算分析。毕继红、钟建辉[11]采用ANSYS软件分别就不同围岩类型、不同隧道间距情况下既有隧道受邻近隧道爆破振动的影响进行研究。

但是上述研究大多未考虑巷道围岩中的缺陷影响[12],且认为爆破荷载作用下,邻近巷道迎爆侧是主要扰动区,然而通过实验发现,当巷道背爆侧存在隐性裂纹缺陷时,缺陷处也往往成为主要扰动区[13],尤其实际巷道围岩中存在着大量的隐性缺陷,如裂隙、孔洞和节理等,当邻近巷道爆破施工时,这些缺陷可能在应力波作用下相互贯穿,引起局部坍塌,甚至造成冲击灾害,成为影响巷道稳定性的关键因素。许多学者针对常见的裂纹缺陷进行了爆炸载荷作用影响的实验研究,如杨仁树[14-16]、李清[17-18]、姚学峰[19]等采用焦散线实验室方法研究了爆炸应力波作用下裂纹的扩展规律;而目前关于爆炸荷载对邻近巷道围岩缺陷影响的研究仍很少,有待进一步探索和深入。由于爆炸应力波通过绕射到达背爆侧,如果从波的传播角度分析,问题将变得非常复杂,而焦散线方法[20]是从实验应力分析中发展起来的直接测量裂纹尖端奇异场参数的方法,避开了这种复杂性。因此,本文采用透射式动态焦散线方法研究了邻近巷道爆破施工对已挖巷道围岩中隐性裂纹缺陷的影响,并结合动态断裂力学参数进行了分析。

1 爆炸加载数字激光动焦散试验

1.1 动态焦散线法

1.1.1 动态焦散线成像原理

当裂纹缺陷受到爆炸应力波作用时,裂纹尖端出现应力集中,尖端及其附近的试件厚度发生改变,折射率也随之改变,此时,当一束平行光透射过该区域时,由于折射率的改变,出射光偏离平行位置,如果在某一位置放置一个与试件平行的参考平面,可看到一个亮线包围着的暗区,这条亮线称为焦散曲线,暗区称为焦散斑,由于预制裂纹倾斜且施加荷载为爆炸荷载,所以焦散曲线为Ⅱ型裂纹焦散线,焦散线成像原理如图1所示。

图1 焦散线成像示意Fig.1 Schematic diagram of caustics formation

1.1.2 裂纹扩展位移与裂纹扩展速度的确定

通过高速摄影仪可以采集到裂纹扩展过程的系列图片,每个图片对应于某时刻裂纹扩展位置,以焦散斑中心位置代表裂纹尖端位置,相邻图片裂纹尖端位移差表示该时间间隔位移,该间隔位移除以间隔时间可得到裂纹扩展的平均速度。

1.1.3 裂纹尖端动态应力强度因子的确定

动态应力强度因子与裂纹尖端应力场大小呈正相关,反映了裂纹尖端应力集中程度的大小,通过高速摄影仪拍摄的系列图片可测得焦散斑的直径Dmax和Dmin,从而计算出裂纹尖端动态应力强度因子,复合型扩展裂纹尖端的KdⅠ和KdⅡ表达式为

1.2 爆炸加载透射式动态焦散线系统

该光路系统[21]由激光发射器、扩束镜、平凸镜、高速摄影机等组成,如图2所示。

图2 透射式焦散线试验系统光路Fig.2 Schematic diagram of transmissioncaustics experimental system

激光具有高亮度、方向性好以及单色性好等特点,能为实验系统提供稳定高亮的点光源,当点光源经过扩束镜发散和平凸镜1的转化后,变为平行光入射到试件前表面,当爆炸产生的应力波绕射到预制裂纹处时,裂纹尖端附近应力集中区域发生复杂的变形,其折射率改变,从试件后表面出射的光发生偏转,然后经平凸镜2汇聚作用进入高速摄影机镜头,从而得到裂纹扩展过程中的数码照片。

2 试验模型的加工

由于岩石材料的脆性,在模型的加工过程中,极易造成不必要的扰动损伤,影响实验规律的研究,且以当前的实验设备和技术进行岩石类材料相关的反射式焦散线实验很难取得理想的结果,虽然有机玻璃与岩石材料的力学参数存在差异,不易进行相似比较,但通过有机玻璃板的模拟能够客观上反映巷道爆破开挖对邻近巷道围岩裂纹缺陷扰动的机理,为以后岩石类材料的研究奠定实验基础;另外,采用的透射式动态焦散线方法要求实验材料具有较高的透光率,因此本实验采用了具有一定塑性和较高透光率的有机玻璃板作为模型材料进行研究。试验模型规格为300 mm×300 mm×5 mm。有机玻璃的动态力学参数:纵波波速CP=2 320 m/s,剪切波波速CS=1 260 m/s,动态弹性模量Ed=6.1 GN/m2,动态泊松比νd= 0.31,动态应力光学常数|Ct|=85 μm2/N。

模型要求:在板中部加工贯通的直墙拱形巷道,巷道下部为40 mm×20 mm的半矩形,上部为半径20 mm的半圆顶,以此模拟邻近已挖巷道;巷道右侧预制倾斜裂纹,通过实验发现,位于背爆侧直墙顶与拱形断面交点处的裂纹扩展位移最大,故预制的倾斜裂纹设置在该最不利位置处,同时也保证了现象易于对比分析,裂纹长度为W,裂纹倾角为30°,且裂纹左下部尖端距巷道水平距离为L,由于裂纹在巷道内部不可见,故可称为隐性裂纹,并称隐性裂纹左下部的尖端为A端或近端,右上部尖端为B端或远端,以此模拟巷道围岩缺陷;在巷道左边加工炮孔,以此模拟邻近巷道爆破,根据多次试验效果,选定炮孔距巷道中心45 mm,在炮孔内装入145 mg叠氮化铅单质炸药,以此模拟邻近巷道爆破。试验模型如图3所示。

图3 模型加工示意Fig.3 Schematic diagram of model processing

另外,本实验为对比实验,实验的变量分别为裂纹长度W和裂纹与巷道间距L,故需要保证其他条件一致,包括巷道尺寸,邻近巷道间距,巷道边界条件,炮孔尺寸和炸药量等,而对于像边界条件等模拟时无法与实际相仿的情况,只需要保证每次实验一致即可。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

表1裂纹B端最终扩展位移值是通过高速摄影仪拍摄的照片测得的,从表中可看出,当预制裂纹长度W=3 mm或5 mm时,在爆炸应力波作用下,裂纹B端的扩展位移均随着预制裂纹A端距巷道背爆侧壁的距离L的增大而减小,当L增大到某一值,裂纹不再扩展。而当L值固定,裂纹长度W增大时,裂纹B端的扩展位移逐渐增大,但随着裂纹长度的增大,裂纹扩展所需的反射拉伸力也将增大,由于所用炸药量相同,因此,这种现象只发生在某个W值内,当W大于该值时,裂纹B端扩展位移也将逐渐减小,最终,裂纹将不再扩展。

表1 爆炸荷载作用下裂纹B端的最终扩展位移DTable 1 Eventually expand displacement D of crack B tip under explosion loadmm

由于当W=3 mm和W=5 mm时的裂纹B端最终扩展位移规律相同,下面以W=5 mm为例进行分析。

从图4可看出,当L改变时,在爆炸应力波作用下,裂纹A端均与巷道背爆侧贯穿,裂纹B端扩展初始阶段,均沿预制裂纹倾角30°方向扩展,然后逐渐趋于水平,所不同的是,当L=2 mm时,裂纹扩展趋于水平的时间较长,且最后裂纹向下翘曲,当L= 3 mm和L=4 mm时,很快趋于水平,当L=5 mm时,裂纹最终方向仍是倾斜的,但倾角变小。出现上述现象的原因为:当应力波绕射到裂纹处时,会发生反射,产生垂直于裂纹倾向的反向拉伸力,使裂纹沿30°方向扩展,当L越小时,裂纹A端与巷道贯穿后,裂纹所受反射拉伸力就越大,沿30°扩展的惯性力就越大,所以当L=2 mm时,裂纹扩展位移最大,然而当应力波绕射过巷道后又会继续向右传播,产生垂直于应力波传播方向的拉伸力,所以裂纹扩展最后总是趋于水平或沿水平扩展。

图4 爆炸荷载作用下长5 mm预制裂纹L改变时的裂纹扩展实验结果Fig.4 Experimental results of 5 mm prefabricated crack with L ranging under the explosion load

综上所述,随着L的增大,在爆炸荷载作用下,隐性裂纹B端的最终扩展位移逐渐减小,另外,从图4中可看出,爆破荷载作用的主要扰动区除了巷道的迎爆侧和背爆侧围岩中缺陷处,右下部的墙角点处也出现了裂纹扩展,成为主要的扰动区,只是由于实验材料的加工或者本身的因素,裂纹扩展的长度有所不同。

3.2 间距L的存在对裂纹B端扩展的影响规律

在实验中,惟一的变量为L,也意味着正是L的改变导致了裂纹B端扩展位移的不同,首先从L的存在对于预制裂纹B端裂纹扩展的影响出发进行分析,图5为L=3 mm时高速摄影仪拍摄的系列图片。

图5 当L=3 mm时高速摄影仪拍摄的裂纹扩展系列图Fig.5 Series figures of crack growth by high-speed camera shooting with L=3 mm

从图5可看出,当t=53.33 μs时,应力波开始作用于裂纹,当t=60 μs时,裂纹两端出现焦散斑,当t=153.33 μs,可看到裂纹A端焦散斑消失,并在巷道侧壁上出现黑色阴影,说明裂纹A端接触临空面,在直墙壁上产生应力集中,当t=160 μs时,裂纹A端已与巷道贯穿,紧随之,到t=166.67 μs时,裂纹B端由缓慢的扩展变为快速扩展。

图6可以更清晰地解释上述现象,从图中可看到,当t=60 μs时,裂纹A端出现较小速度值,说明此时裂纹有微小扩展,随后裂纹B端也开始扩展。之后在t=146.67 μs时,裂纹A端扩展速度出现峰值212.60 m/s,当t=153.33 μs时,裂纹扩展速度为0,说明此时裂纹A端与巷道贯穿,此时裂纹B端扩展速度仍较小,且在之后开始减速,直到t=166.67 μs时,裂纹B端转为快速扩展。另外,通过位移图也可看出,当裂纹A端未与巷道贯穿前,裂纹B端扩展很小,当裂纹A端与巷道贯穿后,裂纹B端才出现快速扩展。当L=4 mm和L=5 mm时,具有类似的现象。综上可得,无论L如何改变,在爆炸荷载作用下,裂纹B端的快速扩展总是发生在裂纹A端扩展并与巷道贯穿之后,说明L的存在对裂纹的扩展有一定的延迟作用。

图6 当L=3 mm时裂纹A端和B端裂纹扩展位移和速度随时间变化对比Fig.6 Extension displacement and speed change over time contrast figure of crack A and B side with L=3 mm

3.3 间距L的改变对裂纹B端扩展的影响规律

从图7(b)可看出,当L=2 mm,t=146.67 μs时,裂纹B端扩展速度达到第1个峰值307.09 m/s;当L=3 mm,t=166.67 μs时,裂纹B端扩展速度达到第1个峰值259.84 m/s;当L=4 mm,t=180 μs时,裂纹B端扩展速度达到第1个峰值212.60 m/s;当L= 5 mm,t=206.67 μs时,裂纹B端扩展速度达到第1个峰值212.60 m/s。速度的第1峰值点正好对应于图7(a)位移曲线的转折点处。从以上数据可看到,裂纹B端扩展速度达到峰值的时刻逐渐延后,峰值大小随L增大也逐渐减小,且速度达到峰值后,裂纹快速扩展的持续时间也逐渐减少。

从图8可看出,当L=2 mm,t=53.33 μs时,爆炸应力波开始作用于预制裂纹,在裂纹B端产生应力集中,开始出现焦散斑,裂纹B端的动态应力强度因子Kd1=0.278 MN/m3/2,之后,在Kd1未达到裂纹起裂的临界动态应力强度因子Kcr前,裂纹B端的能量释放率逐渐积累,相应的Kd1值也振荡性的增加。当t= 60 μs时,Kd1=0.515 MN/m3/2,裂纹B端起裂,并出现轻微的扩展,之后,Kd1略微减小,然后又开始振荡性的增加,并在t=86.67～133.33 μs出现短暂的平缓期,随后开始快速增加,当t=153.33 μs时,Kd1达到第1个峰值1.572 MN/m3/2,之后Kd1在1.0～1.7 MN/m3/2振荡变化。当t=260μs,Kd1= 0.691 MN/m3/2时,裂纹止裂,之后Kd1开始振荡性的减小,当t=346.67 μs时,Kd1=0。

图7 裂纹W=5 mm且L改变时的裂纹B端扩展位移和速度随时间的变化Fig.7 Crack extension displacement and velocity variation figure over time with crack of W=5 mm and changing L

图8 裂纹W=5 mm且L改变时的裂纹B端动态应力强度因子随时间的变化Fig.8 Crack dynamic stress intensity factor variation figure over time with crack of W=5 mm and changing L

综上,当L=2 mm时,裂纹B端的动态应力强度因子变化呈现先逐渐振荡性的增加,达到某一值后,出现相对短暂的平缓时间段,之后快速地达到第1峰值,然后在峰值上下振荡变化,持续一段时间后,开始逐渐减小到0。当L改变时,动态应力强度因子的变化曲线呈现相似的轨迹,不同的是,随着L的增大,达到第1峰值后,在峰值上下振荡变化的持续时间逐渐减小,且动态应力强度因子的最大值也逐渐减小,对应L=2,3,4,5 mm,动态应力强度因子分别为1.651, 1.572,1.419和1.346 MN/m3/2。这说明,L的存在不仅对裂纹的扩展有一定的延迟作用,而且削弱了作用于裂纹B端的应力波能,并且这种延迟和削弱作用随L增大逐渐增强。

4 结 论

(1)邻近巷道爆破开挖时,主要扰动区除了巷道的迎爆侧外,还包括存在裂纹缺陷的背爆侧,且扰动大小与裂纹与巷道的间距和裂纹长度有关。当间距不变,裂纹长度增加时,隐性裂纹远端的最终扩展位移逐渐增加,但裂纹长度达到某值,裂纹扩展位移逐渐减小到0;当裂纹长度不变,如裂纹长5 mm时,随着间距的增加,隐性裂纹远端的最终扩展位移逐渐减小,依次为25.197,16.378,10.236和5.984 mm。

(2)在爆炸荷载作用下,裂纹远端的快速扩展总是出现在裂纹近端与巷道贯穿后,对应于动态应力强度因子快速达到第1峰值,这说明裂纹与巷道间距的存在对裂纹的扩展有一定的延迟作用。

(3)裂纹近端与巷道贯穿后,裂纹远端达到第1峰值的动态应力强度因子在峰值上下振荡性的变化一段时间后减小到0;随着裂纹与巷道间距的增大,振荡变化的持续时间逐渐减小。这说明裂纹与巷道间距的存在削弱了作用于裂纹远端的应力波能,并且这种削弱作用随裂纹与巷道间距的增大逐渐增强。

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Effects of blast load on crack in back-blast side of adjacent tunnel

GUO Dong-ming1,2,LIU Kang1,YANG Ren-shu1,2,ZHOU Bao-wei1,WANG Han-jun3
(1.School of Mechanic&Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.State Key Laboratory for Geomechnics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.School of Architectural and Surveying and Mapping Engineering,Beijing Polytechnic College,Beijing 100042,China)

For exploring the influence law of explosive stress wave on invisible cracks in back-blast side of tunnel,the test was carried out by adopting the explosion loading transmission type dynamic caustics system.The experimental results show that,under explosion load,back-blast side existing crack defects in the surrounding rock of adjacent tunnel becomes a main disturbance,and perturbation size is connected with distance between the crack and tunnel and crack length.When crack length is 5 mm and the distance between the crack and tunnel respectively is 2,3,4 and 5 mm,the curves of dynamic stress intensity factor in the process of crack propagation present similar laws,namely after the crack run through the roadway,rapid increases to the first peak,and then ranges up and down at a period of time and finally reduce to zero.The difference is that the duration of the oscillation change in the peak fluctuation and the maximum value gradually decreases,the maximum value of are 1.651,1.572,1.419 and 1.346 MN/m3/2,which determine that finally extended displacement of invisible crack far-end corresponds for 25.197,16.378,10.236 and 5.984 mm,which renders as the regular of diminishing.The existence of the distance between the crack and tunnel not only has certain delay effect on the propagation of the crack,but also weakened stress wave energy reaching to crack far-end, and the delay and weakened effects gradually are enhanced with the increase of distance between the crack and tunnel.

blast load;adjacent tunnel;back-blast side;crack defects;dynamic stress intensity factor

TD23

A

0253-9993(2014)12-2355-07

2014-07-20 责任编辑:王婉洁

国家自然科学基金面上资助项目(51274204);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-12-0965);教师队伍建设-创新团队(煤矿灾害预警关键技术研究)资助项目(PXM2014_014225_000048)

郭东明(1974—),男,江西新余人,副教授,硕士生导师。Tel:010-62339225,E-mail:dmguocumtb@126.com

郭东明,刘 康,杨仁树,等.爆炸荷载对邻近巷道背爆侧裂纹的影响规律[J].煤炭学报,2014,39(12):2355-2361.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0949

Guo Dongming,Liu Kang,Yang Renshu,et al.Effects of blast load on crack in back-blast side of adjacent tunnel[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2355-2361.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0949