含不同形状单孔的静态定向破岩机理及技术研究★

蒋婉筱 吴爱军 王永强 吴大伟 金 超

(西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010)



含不同形状单孔的静态定向破岩机理及技术研究★

蒋婉筱 吴爱军 王永强 吴大伟 金 超

(西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

利用混凝土易于造孔的特点，设计了含不同长短轴(宽)比椭圆、矩形预埋孔试块，得到长短轴比在2∶1～3∶1和长宽比在3∶1～5∶1时，定向开裂效果最好，并运用ANSYS软件进行了模拟分析，结论与物理实验结果相吻合。

静态定向开裂，裂纹，静态爆破，椭圆孔，矩形孔

近年来，静态破碎法发展成为一种新型的“爆破”施工技术，与炸药爆破方法相比较，具有无振动、无飞石、无冲击波、无噪声、无毒性气体污染等优点，得到了广泛应用，并且郭瑞平、王玉杰等对静态破碎剂的材料特性和膨胀机理进行了深入研究[1,2]。唐烈先、郝兵元、桂良玉等[3-5]采用在孔中插入钢板、切槽孔等方法来研究导向作用。而在工程实验中，单个圆形孔装药后裂纹有3条～4条，裂纹的扩展方向难以控制，而对于非圆形孔，如椭圆、矩形、菱形等不同形状的孔，装药后的裂纹扩展规律鲜有报道。为此本文通过理论与实验、数值模拟等不同手段和方法，探索一个最优的矩形的长宽比、椭圆的长短轴比。

1 岩石静态定向开裂基本力学理论

两种形状装药孔的岩石周围应力场的计算模型，并对其进行分析。

1.1 矩形孔

将含矩形孔的无限域映射到单位圆内的映射函数可采用如下的近似形式[6]：

(1)

其中，β1，β3，…与矩形孔的边长比有关；c为常数，c=reiα,与矩形孔的大小和方位有关。

根据文献[6]含矩形孔无限域应力集中的系列分析中，承受均匀内压时孔边应力的变化曲线可以看出，不同长宽比的矩形，会引起在尖角处应力集中，且应力集中值达到了原膨胀力的3倍～5倍，并且随着长宽比的增大，四个尖角的应力集中值方向之间的夹角在减小，定向性能在增强。

1.2 椭圆孔

1)当长短轴比为1∶1时，即为圆形孔。假设在无限大的弹性体内有一圆孔，该孔半径R，内壁作用压力q，此时任意半径r处的径向拉伸应力σr、切向拉伸应力σθ可按下式计算[5]：

(2)

可见圆形孔的应力场在孔口周围是均匀分布的，不存在具体位置的应力集中。

2)当长短轴比不等于1∶1时，即为不同离心率的椭圆形状。基于弹性力学知识[7]，得到椭圆孔口应力为：

(3)

计算得到：长短轴比为2∶1时其切向应力的最大值为孔内膨胀力的3倍，即为3q，3∶1时为5q，5∶1时为9q，比值越大，其应力集中系数越高，且定向性能越强。

2 定向静态开裂实验

根据几何、力学条件的相似性原理，设计了两种形状孔，两种岩体的静态定向开裂实验。具体的几何尺寸如表1所示。试验中采用C325配合比制备混凝土模型，按照标准对混凝土养护了28 d后，再进行统一灌注破碎剂，因此在时间和温度上，所有试块都处于同样条件，这样避免一些不必要因素的干扰。

表1 物理模型几何尺寸

本文中所用试验均采用的是北京宇翼特种水泥厂生产的“宇翼”牌高效无声破碎剂HSCA-Ⅰ型，使用温度范围为25 ℃～35 ℃。

3 试验结果及分析

3.1 含矩形孔混凝土试件静态开裂实验与分析

对于正方体试块，正方形截面孔呈现三条主裂纹形式开裂；矩形截面为2∶1时呈现出在尖角处都开裂的形式；矩形截面为3∶1时呈现两条主裂纹，两条次裂纹，次裂纹很小，有一定的导向作用。矩形截面为5∶1时呈现两条主裂纹贯穿破坏整个试件，导向作用比较强。改变孔的长宽比，也改变了膨胀力的分布，构造的正交异性膨胀力，有利于裂纹沿最小主应力的方向发展，裂纹能够延伸到试件的端部，使试件产生劈裂破坏。

3.2 含圆形孔混凝土试件静态开裂实验与分析

从试件静态破碎的过程来看，对于圆形截面孔，不管试件形状，基本呈现三条主裂纹的形式开展。因为圆孔周围应力较为均匀分布，加上试块材料的不均匀性，导致裂纹开裂的方向具有随机性(见图2)。

对于椭圆孔截面形状的孔，试块裂纹均从预留孔的长轴尖端萌生，并且随着时间的推移，裂纹继续扩展并最终沿着垂直于最大拉应力的方向呈现对称性扩展，导向作用很明显。

相对于细长型的矩形定向而言，椭圆定向效果要优于矩形。直接原因为长条形矩形尖端有四个，第一条裂纹起裂位置仍存在选择性，也就是长宽比越小，其定向效果越差。

4 裂纹定向扩展规律的数值模拟

ANSYS提供了一种Solid65单元，专门用于模拟混凝土和岩石材料。设置混凝土的弹性模量为E=21 000 MPa，泊松比为0.2。为更好反映裂纹扩展路径，设置孔深为0.15 m，以便更好的划分网格进行计算，由于篇幅有限，仅列出代表性的图(见图3)。

对于圆柱体矩形截面孔，模拟结果与物理试验的裂纹扩展结果基本一致，能很好的反映裂纹开裂的方向。对于立方体矩形截面孔，模拟结果就比较理想化，均是从尖角应力集中处扩展，与物理实验有一定的差异。如截面孔为1∶1时，模拟裂纹是从四个尖角应力集中处扩展，比较有规律性。而相对的物理实验，由于在浇筑混凝土试块时，一些偶然因素，会导致产生的裂纹没有很规则，但基本规律还是相同的。对于圆形截面孔，无论是圆柱体，还是立方体，其裂纹扩展具有随机性，裂纹条数在3条～4条。

对于椭圆截面孔试块，随着长短轴比的增大，定向效果越来越好。软件模拟了2∶1和3∶1两种椭圆截面孔试块，其结果基本上能够较好地反映裂纹扩展规律，与物理实验很好的切合，导向作用很明显。

5 结语

本研究针对静态破碎中裂纹扩展难以控制的难题，利用断裂力学、弹性力学等理论，自行设计并浇筑的混凝土试块，对椭圆孔、矩形孔等两种不同尺寸、不同形状的模型的裂纹定向扩展规律和机理进行理论与实验和数值仿真研究，初步得到以下结论：

1)通过一系列静态破碎实验，结果发现，含椭圆形试件仅有一条沿着长轴方向的裂纹，当长短轴比在2∶1～3∶1之间时定向开裂效果最好；当为长宽比为1∶1的正方形孔、长宽比为2∶1的矩形时，一般情况下有4条裂纹沿着对角线扩展；当长宽比在3∶1～5∶1时，定向开裂效果最好。

2)运用ANSYS软件对上述实验进行裂纹扩展与演化规律模拟，其结论与物理实验结果相吻合。

本研究探索出的主裂纹导向技术，在岩石、混凝土等脆性材料的局部破碎或者石材开采中，有重要的实际应用价值，值得进一步深入研究和试用推广。

[1] 郭瑞平,杨永琦.静态破碎剂膨胀机理及可控性的研究[J].煤炭学报，1994,19(5):478-485.

[2] 王玉杰.静态破裂技术及机理研究[D].武汉:武汉理工大学，2009.

[3] 唐烈先，唐春安，胡 军，等.混凝土静态破碎主裂纹导向技术的试验研究[J].混凝土,2013,289(11):11-17.

[4] 杨仁树,孙中辉,佟 强,等.静态破碎机膨胀作用下试样裂纹扩展试验研究[J].工程爆破,2010,16(3):7-11.

[5] 桂良玉.静态破碎剂破岩机理试验研究[D].北京：中国矿业大学,2008.

[6] 杨丽红,何蕴增.含矩形孔无限域应力集中的系列分析[J].应用科技,2005(7):53-56.

[7] 徐芝纶.弹性力学[M].第4版.北京：高等教育出版社，2006.

Study on the technology and mechanism of

static directional cracking of rock with different shapes of charge holes★

Jiang Wanxiao Wu Aijun Wang Yongqiang Wu Dawei Jin Chao

(CollegeofEnvironmentandResources,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)

With the characteristics of easy hole making of concrete, the test block with different length and length(width) is designed, and the length and width ratio of the 2∶1～3∶1 and the length width ratio of 3∶1～5∶1 are obtained. At the same time, using ANSYS software simulation, the conclusion is consistent with the physical experiment results.

static directional crack, crack, static blasting, elliptical hole, rectangular hole

1009-6825(2016)27-0048-03

2016-07-19★:四川省教育厅重点项目(项目编号：16zd1120)；西南科技大学博士研究基金项目(项目编号：12zx7112)

蒋婉筱(1990- )，女，在读硕士； 吴爱军(1976- )，男，博士，副教授

TU457

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