定向断裂控制爆破的空孔效应实验分析*

岳中文,郭 洋,许 鹏,王 煦,宋 耀

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083)

定向断裂控制爆破的空孔效应实验分析*

岳中文,郭 洋,许 鹏,王 煦,宋 耀

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083)

采用新型数字激光动态焦散线实验系统,对爆炸荷载作用下空孔周围的动应力场分布及空孔对爆生主裂纹扩展行为的影响进行了研究。研究结果表明,在空孔周围强应力场的影响下,2条相向扩展的爆生主裂纹逐渐向空孔处偏转,并在空孔处贯通;空孔附近的主应力方向与炮孔连心线夹角基本稳定在约12°,增大空孔尺寸对空孔附近的主应力方向影响不明显;爆炸应力波与空孔相互作用,产生反射拉伸波,改变了主裂纹尖端的应力场,降低了主裂纹的扩展速度,且空孔直径越大,主裂纹的扩展速度越低;当爆生主裂纹扩展到空孔附近时,主裂纹尖端动态应力强度因子再次出现上升的趋势。

爆炸力学;定向断裂控制爆破;爆破裂纹数字激光动态焦散线;空孔;爆破裂纹

在井巷掘进施工中,钻爆法由于对地质条件的适应性强,施工成本低、速度快,操作工艺简单,因而在施工中应用广泛。采用传统爆破的方法进行施工时,往往会造成较大的超挖或欠挖,不仅增加了后期喷浆作业的费用,也增加了围岩的损伤,降低了围岩的稳定性[1]。为此,国内外学者提出了很多定向断裂控制爆破的方法。其中,通过在装药孔间设置空孔来实现定向断裂爆破的效果已在工程实践中被人们所证实,并且取得了较好的效果。该方法主要是利用空孔的影响,使爆生主裂纹方向偏向空孔方向,从而实现定向断裂,空孔的这种作用也被称为“空孔效应”[2]。

长期以来,一 些学者 对“空孔效应”进行了 大量的 研究。B.B.Mohanty[3-4]最 先提出 了在装 药孔间 设置空孔来达到控制爆破裂纹扩展的方向,并随后通过 实 验 和 现场测试进 行 了 证 明。Y.Nakamura等[5]进行了爆破裂纹扩展控制实验,并对普通空孔和在空孔两侧切槽对爆生裂纹扩展的影响进行了分析。S.H.Cho等[6]采用数值模拟和实验相结 合 的 方 法 对 空 孔 的 定 向 断 裂 效 果 进 行 了 研 究。 刘 优 平 等[7]从理论上对空孔的作用机理进行了分析。毕谦等[8]采用动光弹法对空孔附近的动应力分布情况进行了研究,认为空孔壁附近 的 动 拉 应 力 集 中 是 诱 发 主 裂 纹 沿 空 孔 方 向 运 动 的 主 要 原 因。文 梼 等[9]采 用 LSDYND 2D 数值 软件利 用不同 空孔参 数对空 孔导向 作用的 影响进 行了研 究。姚 学锋等[10]等 采用 焦 散 线实验方法研究了爆炸应力波对裂纹和空孔的作用,并得出了裂纹尖端应力强度因子及空孔周围应力场随时间的变化规律。然而由于爆炸荷载的瞬时性、爆炸作用的复杂性等原因,人们对含空孔时爆生裂纹扩展规律的研究还十分有限,存在很多的不足。因此,研究爆炸荷载下空孔的作用机理及其与爆生裂纹的相互作用关系具有重要的意义。

本文中采用新型数字激光动态焦散线实验系统,以有机玻璃板(PMMA)为实验材料,对两孔同时起爆时的“空孔效应”进行了研究,分析了在爆炸应力波作用下不同尺寸空孔周围应力场的变化及其对爆生主裂纹扩展行为的影响规律。研究结果表明,在空孔周围强应力场的影响下,2条相向扩展的爆生主裂纹逐渐向空孔处偏转,并在空孔处贯通;爆炸应力波与空孔相互作用,产生反射拉伸波,改变了主裂纹尖端的应力场,降低了主裂纹的扩展速度,当爆生主裂纹扩展到空孔附近时,主裂纹尖端动态应力强度因子再次出现上升的趋势。

1 实验测试原理

在爆炸荷载作用下,爆炸应力场中爆炸压力脉冲主要以压缩波和剪切波这2种体波形式传播,由于2种波的共同作用,在介质中任意一点产生正应力和切应力,即爆炸应力场为复合型,因而介质中的裂纹可视为复合型裂纹。对于动态焦散线测试方法,由其测试原理可知,裂纹尖端的复合应力强度因子可表示成:

式 中 :Dmax为 复 合 型 裂 纹 尖 端 焦 散 斑 最 大 直 径 ,z0为 参 考 平 面 到 物 体 平 面 的 距 离 ,c为 材 料 的 应 力 光 学常 数 ,deff为 试 件 的 有 效 厚 度 ,μ为 应 力 强 度 因 子 的 比 值 ,g为 应 力 强 度 数 值 因 子 ,KⅠ为 Ⅰ 型 动 态 应 力 强度 因 子 ,KⅡ为 Ⅱ 型 动 态 应 力 强 度 因 子 。 因 此 ,对 于 给 定 的 实 验 系 统 ,z0、c、deff为 已 知 的 确 定 常 数 ,仅 需测量焦散斑的最大直径就可以确定裂纹尖端的动态应力强度因子的大小。

由文献[11]可知,在双孔爆炸作用下,空孔周围的受力情况可简化为图1所示,图2给出了空孔周围焦散斑的形状及其尺寸。在双向拉伸应力场作用下,空孔附近的焦散斑特征尺寸D与荷载之间的关系可表示为:

式中:p-q为空 孔周围 的主应 力差值 ,RB为空孔的 半 径 ,D 为 空 孔 周 围 焦 散 斑 的 特 征 长 度,其 余 参 数 与式(1)相同。

图1 空孔的受力示意图Fig.1 Force diagram of empty hole

图2 空孔周围的焦散线Fig.2 Caustics around empty hole

2 新型数字激光动态焦散线实验

2.1 实验描述

实验选用有机玻璃板(PMMA)作为实验材料,具有较高的光学常数,且光学各向同性,产生单焦散曲线,可以提高实验结果的准确度,其动态力学参数由文献[12]中实验测得。图3表示实验模型试件示意图。试件尺寸为400 mm×300 mm×5 mm,2个炮孔位于试件的中央,间距为120 mm,炮孔直径为6 mm,单孔装药量为140 mg。为模拟实际施工中的切槽炮孔,在每个炮孔上沿2个炮孔连心线方向精确切割2个对向的切槽,切槽角度为60°,切槽深度为1 mm。空孔位于2个炮孔连心线的中间位置。实验设计3种方案:(1)无空孔(即空孔直径为0);(2)空孔直径为6 mm;(3)空孔直径为8 mm。

实验时,在炮孔中装药并预先插入一组探针,探针与高压起爆装置相连,高压起爆装置通过预先充电再放电产生电火花引爆炸药。本实验中采用同时起爆方式,高速数码相机在起爆前事先开启,对爆炸整个过程进行记录。此外,为防止炸药产生的碎片对两侧的透镜造成损坏,在模型两侧分别放置2块透明的有机玻璃板进行防护。

图3 实验模型试件示意图Fig.3 Schematic diagrams of experimental specimen models

2.2 实验光路及设备

图4所示为实验光路示意图。图5所示为新型数字激光动态焦散线实验系统。该系统改进了传统的多火花式焦散线实验系统,用高速数码相机和激光光源分别取代传统的多幅式胶片相机和多火花式点光源,具有拍摄幅数多、效果好;实验受环境影响小、系统误差低;实验图片易于进一步处理等特 点[13]。 实 验 采 用 的 高 速 数 码 相 机 为 日本生产的 Fastcam-SA5(16 G)型彩色高速数码相机,其最大拍摄速度可达106s-1,能够满足对爆炸现象的超动态测试要求。实验采用的光源为绿色激光光源,其波长位于数码相机的最敏感光波波长范围内。同时,为配合不同实验需求,光源还配有调节旋钮,光强可在0~200 m W间调节。本实验的相机拍摄速度为3×105s-1,拍摄照片的分辨率为256×64 pixels,泵浦激光器功率为60 m W。

图4 实验光路示意图Fig.4 Schematic diagrams of experimental optical system

图5 新型数字激光动态焦散线实验系统Fig.5 New-type digital laser dynamic caustics experimental system

3 实验结果及分析

3.1 爆生主裂纹扩展轨迹

图6表示空孔直径分别为0、6和8 mm 的模型试件爆破实验结果图。从图6中可以看出,空孔对爆生主裂纹的扩展轨迹影响很大,具有明显的导向作用。当炮孔间无空孔时,如图6(a)所示,由于在炮孔上预先设置了双向切槽,双孔同时起爆后,从2个炮孔处沿切槽方向产生2条爆生主裂纹A1、A2,并相向扩展,当2条主裂纹A1、A2相遇时,由于对方已形成的裂纹成为了新的自由面,导致裂纹发生偏转并移向对方已有裂纹,最终在2炮孔间形成相互勾连的形状。当炮孔间有空孔时,爆生主裂纹沿切槽方向优先扩展,当爆生主裂纹运动到接近空孔时,由于空孔的作用,爆生主裂纹与空孔相贯通,裂纹扩展基本呈直线,定向断裂效果明显好于无空孔爆破。这点对于工程爆破尤为重要,它表明了在周边眼定向断裂控制爆破中,在两炮孔连线方向上增设空孔,有利于爆生主裂纹沿空孔方向运动,并最终在空孔处相互贯通,从而减少对爆破围岩的损伤,实现精细化定向断裂控制爆破,而且空孔越大,爆破效果越明显。

图6 实验结果图Fig.6 Patterns of experimental results

3.2 空孔周围应力场的变化

图7所示为空孔直径分别为0、6和8 mm 的空孔周围焦散斑。

从图7可以看出,起爆初期,由于切槽炮孔的影响,爆炸应力波在切槽处产生应力集中,裂纹优先沿切槽方向扩展形成爆生主裂纹。当空孔直径为0 mm时,在爆炸应力波与运动裂纹的相互作用和运动裂纹与运动裂纹的相互作用下,裂纹尖端附近形成复杂的动应力场;当空孔直径为6 mm 时,爆炸应力波在20μs时到达空孔,并与空孔产生相互作用,在两炮孔连心线上的空孔边缘处产生了应力集中,表现为在空孔边缘出现“月牙形”的焦散斑,焦散斑图像上具有2个特征点,特征点的连线经过空孔圆心。随着爆炸应力波在空孔处产生反射、绕射等作用,空孔周围的焦散斑也随之绕空孔运动,大小不断发生变化。空孔周围焦散斑的特征尺寸和方向的这种变化直观反映了爆炸应力波作用下空孔周围的应力集中程度和动应力场的变化;当空孔直径为8 mm 时,在相同的时刻,空孔周围的焦散斑阴影区明显比6 mm空孔周围的焦散斑阴影区大,其空孔周围焦散斑的特征尺寸更大,空孔周围的应力集中程度也更强,说明增大空孔直径有利于增强空孔周围的动应力场,有利于提高空孔对运动裂纹的导向控制作用。

图8~9分别表示爆炸荷载下不同尺寸空孔周围主应力差值及其夹角随时间变化曲线。空孔附近主应力差值的变化表征了空孔附近应力场的强弱,空孔附近两焦散斑特征点的连线和2个炮孔连心线间的夹角θ表征了主应力场方向以及应力集中区域的变化。从图8可以看出,空孔周围的主应力差值在主裂纹扩展过程中表现为振荡变化,并在裂纹靠近空孔时迅速增大的特点。在80~126μs之间, 6 mm空孔周围应力场的主应力差值由1.72 MPa增大到6.80 MPa,增加了5.08 MPa;8 mm 空孔周围应力场的主应力差由1.87 MPa增大到8.55 MPa,增加了6.68 MPa,较6 mm 空孔周围应力场的主应力差提高了30%,说明了随着爆炸应力波与空孔的相互作用,大直径空孔周围应力场的主应力差值更大,表现出更强的应力集中特性。空孔周围焦散斑特征点的连线和两炮孔连心线间的夹角θ随时间的变化情况如图9所示。夹角θ随空孔周围应力场的变化而呈现逐渐振荡上升的趋势,并在12°左右趋于稳定。对于不同的空孔直径,夹角θ的变化趋势和大小基本相同,说明空孔直径对主应力方向θ的影响不明显,且当裂纹扩展到空孔附近时,空孔附近主应力方向与2个炮孔连心线的夹角大致稳定在12°。

图8 空孔周围主应力差值时程曲线Fig.8 Histories of difference between the two principal stresses around empty holes

图9 空孔周围夹角时程曲线Fig.9 Histories of of the included angles around empty holes

3.3 爆生主裂纹扩展速度的变化规律

图10所示为不同空孔直径下爆生主裂纹的扩展速度随时间变化曲线。从图10可以看出,在炸药爆炸后的33.3μs内,3组实验中的爆生主裂纹的扩展速度均快速上升并达到最大值(空孔直径为8 mm时左侧爆生主裂纹C1的扩展速度达到最大值的时间为t=23.3μs,这可能是由于起爆时间控制不精确及测量时的测量误差等原因造成的),此后,3组实验中的爆生主裂纹的扩展速度均出现剧烈下降,并在7μs后下降到最低值。其中,无空孔时的爆生主裂纹的扩展速度最低为245.6 m/s,是最大值的41%,空孔直径为6和8 mm 时的爆生主裂纹几乎停止扩展,其扩展速度最低分别为0和78 m/s。随后,3组实验中的爆生主裂纹的扩展速度再次上升,并开始不断振荡下降,直到裂纹止裂。

图10 爆生主裂纹扩展速度时程曲线Fig.10 Propagation velocity histories of the blast-induced cracks

炮孔间有空孔时的双孔爆破爆生主裂纹的扩展速度在t=33.3~40μs之间出现剧烈下降,甚至停滞的状态,这主要由2个原因引起的。一方面,从焦散斑系列图片中可以看出,在t=33.3μs时,从炮孔处的产生的S波与从异方炮孔处产生的P波进行波形耦合,并与运动的爆生主裂纹相互作用,但是由于S波对同向运动的主裂纹起促进的作用,而P波对相向运动的主裂纹扩展起阻碍作用,因此,随着P波波峰向主裂纹传播,爆生主裂纹的扩展速度迅速下降。随后,随着 P波与S波的继续传播,P波波峰逐渐远离主裂纹尖端,对主裂纹扩展的影响逐渐减弱,S波的作用逐渐增强,因此,爆生主裂纹的扩展速度再次上升,并继续沿原方向运动。另一方面,炮孔间有空孔时,从炮孔处产生的P波在空孔处产生反射拉伸PP波也在裂纹尖端处与P波和S波进行波形耦合,从而增强了阻碍主裂纹向前扩展的P波的能量,相对削弱了促进主裂纹向前扩展的S波的能量,因此,主裂纹的扩展速度下降更剧烈。

从图10中还可以看出,无空孔时爆生主裂纹扩展的最大速度为610 m/s,空孔直径为6 mm 时主裂纹扩展的最大速度为535 m/s,较无空孔时下降了12%,而空孔直径为8 mm 时主裂纹的最大速度仅为450 m/s,较无空孔时下降了26%。同时,从图7中也可以看出,在t=120μs时,无空孔时的2条主裂纹已经相遇,空孔直径为6 mm 时的2条主裂纹刚运动到空孔处,而空孔直径为8 mm 时的2条主裂纹还没有扩展到空孔处。

随着空孔直径的增大,爆生主裂纹在扩展过程中的最大速度及扩展的平均速度均有明显下降。这是因为垂直于空孔传播的P波在遇到空孔后反射产生PP波,增大空孔直径,使反射PP波的能量增强,阻碍主裂纹扩展的能量相对增强,促进主裂纹扩展的能量相对减弱,主裂纹的扩展速度降低。空孔的这种作用也增强了空孔对爆生主裂纹扩展方向的引导性,保证了爆生主裂纹沿空孔方向运动。

3.4 爆生主裂纹裂尖端动态应力强度因子的变化规律

图11所示为不同空孔直径下爆生主裂纹尖端应力强度因子随时间的变化曲线。

图11 不同空孔直径下爆生主裂纹尖端应力强度因子时程曲线Fig.11 Histories of dynamic stress intensity factors under different diameters of empty hole

从图11可以看出,受爆生主裂纹尖端动应力场变化的影响,3组实验中,爆生主裂纹尖端的动态应力强度因子呈先快速增大后减小不断振荡变化的特点。与裂纹扩展速度相似,3组实验中,裂纹尖端的动态应力强度因子在起爆后的t=33.3μs时均出现剧烈下降,并在t=40μs附近达到最低点。无空孔时,爆生主裂纹A1尖端动态应力强度因子在t=26.7μs时达到最大值2.37 MN·m-3/2,然后下降,并在t=43μs时达到最低值1.3 MN·m-3/2,然后开始振 荡,并 在 裂 纹 扩展末期逐渐 降 低 至零。当 炮 孔间空孔直径为6和8 mm时,爆生主裂纹尖端的动态应力强度因子在t=40μs附近也达到最低值,分别为1.21和0.87 MN·m-3/2,但有空孔时,爆生主裂纹尖端的动态应力强度因子再次上升并达到的最大值较无空孔时要高很多。无空孔时爆生主裂纹尖端的动态应力强度因子再次达到的最大值仅为第1次峰值的75%,而空孔直径为6和8 mm 时相应的动态应力强度因子为第1次峰值的94%和91%,其值分别为2.16和2.23 MN·m-3/2,这主要因为无空孔时,由于爆炸应力波的衰减,推动爆生主裂纹尖端的动态应力强度因子再次上升的能量较少,而炮孔间有空孔时,由于在空孔处产生的反射PP波和PS波与裂纹尖端附近的应力波发生波形耦合,增强了裂纹尖端的动应力场,延长了应力波对裂纹扩展的作用时间。在炮孔间空孔直径为8 mm时裂纹尖端的动态应力强度因子在裂纹扩展后期甚至出现明显上升趋势,这说明随着空孔直径的增加,空孔周围的应力集中程度更加明显,爆炸应力波在空孔处反射形成的反射 PP波、PS波、SP波和 SS波延长了爆炸应力波在裂纹尖端的作用时间,增强了空孔对爆生主裂纹尖端扩展方向的控制作用,迫使爆生主裂纹向空孔处扩展,达到精确控制定向断裂爆破的目的。

4 结 论

(1)由于空孔的应力集中效应、自由面效应和卸压效应,爆生主裂纹在扩展过程中逐渐向空孔发生偏转,并最终在空孔处贯通,说明空孔具有很好的导向作用。

(2)爆炸应力波与空孔相互作用,在与2个炮孔的连心线成12°的方向产生应力集中,形成强拉伸应力场,且空孔尺寸与应力场的大小关系明显,与应力集中的方向关系不明显。

(3)爆炸应力波在空孔处产生反射波,与爆生主裂纹周围的应力波相互叠加,改变了主裂纹尖端的应力场,降低了相向运动的爆生主裂纹的扩展速度,且空孔尺寸越大,主裂纹的扩展速度越低。

(4)增大空孔直径,有利于增强爆炸应力波在空孔处的反射,使爆生主裂纹尖端的动应力场明显增强,主裂纹尖端动态应力强度因子再次出现明显上升趋势,同时,延长了爆炸应力波对运动裂纹的作用时间。

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Analysis of empty hole effect in directional fracture controlled blasting

Yue Zhong-wen,Guo Yang,Xu Peng,Wang Xu,Song Yao
(School of Mechanics&Civil Engineering,China University of Mining&Technology, Beijing 100083,China)

A new experimental system of digital laser dynamic caustics was used and the distribution of dynamic stress field around empty holes and the influence of empty holes upon the main cracks expanding under the blasting loading were studied.Experimental results show that two blast-induced main cracks,which were oppositely expanding,deflected gradually to empty hole under the strong stress and penetrated empty hole.The angle between the principal stress direction and the line of two blasting holes center near the empty hole kept about 12°,and the principal stress direction did not change with the size of empty holes increasing;the interaction between explosive stress waves and empty holes produced reflective stretching waves,changed the stress field at the main crack tips,reduced expanding velocity of the main crack.The larger the diameter of empty hole was,the lower the main crack propagation velocity was.When the blast-induced main cracks expanded to empty hole,the dynamic stress intensity factor at crack tips appeared to rise again.

mechanics of explosion;fracture controlled blasting;digital laser dynamic caustics;empty hole;blast-induced cracks

O383.2国标学科代码:1303520

:A

10.11883/1001-1455-(2015)03-0304-08

(责任编辑 王易难)

2013-09-24;

:2014-01-06

:国家 自然科学基 金项目(51374210,51134025);中央 高校基本科 研业务费项 目(2009QL15)

:岳中 文(1975— ),男,博士,副教授,zwyue75@163.com。