抑制预裂缝端部翼裂纹起裂动焦散实验研究

苏 洪，龚 悦，李 凯

(1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001；2.江西蓝翔重工有限公司，江西 萍乡 337000)

目前，随着我国经济快速发展，基础建设大量展开，在矿山、隧道开挖等基础工程中由于爆破法施工具有经济、高效、施工简单等优点，被广泛应用[1]。爆破法施工既要求高效开挖岩体，又要求尽量减少对保留岩体的损伤。控制围岩损伤主要有光面爆破和预裂爆破两类，其中光面爆破自上世纪70年代引入我国以来，先后在矿山、水利水电及交通工程等领域得到广泛应用。同时国内外学者对预裂爆破也展开了大量研究。

袁康[2]利用弹性力学、断裂力学、损伤力学等理论对预裂爆破成缝机理开展研究，取得良好预裂缝的爆破参数。杨仁树[3]利用光电综合测试系统，研究了两相邻预裂孔同时起爆，两炮孔贯穿裂纹和炮孔外侧裂纹扩展的动态行为。李新平[4]采用数值模拟方法，研究不同装药结构对预裂爆破效果的影响。唐海[5]运用循环爆破和无损检测探损，获取预裂爆破在不同条件下的应力波传播规律和损伤范围。陈俊桦[6]引入岩石爆破损伤、应力波和爆生气体共同作用等理论，在考虑岩石初始损伤等影响因素的基础上，提出预裂爆破参数计算式。张超[7]将聚能技术和预裂爆破技术相结合，应用到瓦斯抽放中，取得了良好的效果，并分析了该种技术机理。杨超[8]根据开挖岩体的地质特征,对间隔装药结构不耦合系数、线装药密度等进行理论计算,然后进行实验对比分析,确定针对不同岩性部位设置预裂爆破的合理参数。

综上，学者对预裂爆破的研究主要集中在预裂成缝和预裂爆破应用两方面，取得了丰硕的研究成果。预裂爆破最理想的情况是相邻两炮孔之间形成的定向裂纹相互贯通，但实际爆破工程中，岩体特性千变万化，岩性较差时，相邻炮孔之间形成的定向裂纹并不一定能相互贯通。杨仁树[9]指出，如果预裂爆破形成的预裂缝之间没有相互贯通，在主爆区爆炸荷载的作用下，预裂缝的尖端易产生翼裂纹，向保留岩体扩展，对保留岩体造成破坏。因此需要对抑制预裂缝尖端产生翼裂纹展开研究，以保护保留岩体。为此，利用动焦散系统对这一问题开展实验研究，以期获得有意义结论，为工程实践提供帮助。

1 实验设计

空孔具有引导定向裂纹扩展的作用，有利于形成规整轮廓面。为此设想在两预裂孔之间设置空孔，先以空孔引导定向裂纹，再以空孔抑制定向裂纹尖端产生翼裂纹，达到既形成规整预裂面又抑制预裂缝尖端产生翼裂纹的目的。

试件材料采用PMMA，几何尺寸为400 mm×300 mm×5 mm。由于空孔引导裂纹不是本文研究的重点，所以假设预裂爆破形成的预裂缝A和空孔C、D已经贯通，预裂缝靠近炮孔一侧岩体为被爆岩体，预裂缝背离炮孔一侧岩体为保留岩体(见图1)。预裂缝A与炮孔B相距25 mm，空孔C、D分别布置在预裂缝A的两端。A裂缝长度80 mm。为了研究有无空孔和空孔直径对预裂缝A端部翼裂纹起裂的影响，改变空孔半径R分别为0、3、5、7.5 mm。炮孔直径6 mm，实验爆炸加载的炸药为叠氮化铅，药量160 mg。

图1 实验模型Fig.1 Experimental model

2 动态焦散线实验原理

实验采用数字激光动态焦散线系统(见图2)，由激光、扩束镜、透镜、高速相机组成。激光发出的点光源经扩束镜变成散光源，散光源经透镜1后变成平行光场，平行光场经透镜2后会再变成点光源，在高速相机中成像。试件置于两透镜之间，即平行光场中。试件在荷载作用下，其厚度发生变化，折射率也随即发生变化，由于试件在平行光场中，试件后面的折射光线偏离原有平行状态，偏离平行状态的光线会在传播路径上形成光强分布不均的图像，阴影区称为焦散斑。

图2 动焦散实验系统Fig.2 Experimental system of dynamic caustics

把空孔周围的受力简化为在水平方向受应力q作用，在竖直方向受应力p作用(见图3a)。空孔周围焦散斑形状及尺寸如图3b所示。则空孔周围焦散线尺寸和荷载之间的定量关系[10]为

(1)

式中：p-q为空孔周围主应力差；z0为参考平面到试件的距离，本文取800 mm；c为应力光学常数；d为试件有效厚度，取5 mm；R为空孔半径；D为空孔周围焦散斑的特征长度。

图3 空孔受力和周围焦散线Fig.3 Force of empty hole and caustics around empty hole

3 实验结果与分析

炸药爆炸后试件破裂效果如图4所示，炮孔周围有明显的粉碎区，并产生5～8条主裂纹; 预裂缝阻断了主裂纹向保留岩体扩展；当有空孔时，主裂纹向空孔方向扩展，说明空孔对裂纹扩展有一定的引导作用；当预裂缝尖端无空孔时，在爆炸荷载作用下，预裂缝尖端产生翼裂纹，向保留岩体扩展；当预裂缝尖端有空孔时，无论空孔大小，均不会产生翼裂纹向保留岩体扩展。可见，如果在两相邻预裂炮孔中间设置空孔，不仅可以引导预裂孔产生的定向裂纹向空孔扩展，还可以抑制裂缝尖端产生新的翼裂纹向保留岩体扩展，对保留岩体起到很好保护。

图4 实验结果Fig.4 Experimental result

4 焦散线行为分析

模型动焦散行为如图5所示，当空孔半径R=3 mm时，炸药爆炸后产生应力波以圆形波阵面向外扩张，20s时应力波传至空孔处，在空孔处不仅形成反射应力波和绕射应力波，还在空孔周围形成复杂应力场，出现应力集中现象，表现为“半月牙”形焦散斑，半月牙焦散斑和图3b类似。在半月牙焦散斑上有特征点，特征点的连线过空孔中心，随着爆炸荷载的持续加载，空孔周围的焦散斑以空孔中心为圆心开始转动，大小不断变化，焦散斑的转动方向体现了空孔周围主应力方向，焦散斑的大小体现了空孔周围应力场的强弱。当R=5 mm和R=7.5 mm时，其空孔周围焦散斑变化规律基本和R=3 mm时类似，区别在于随着空孔半径的增大，空孔周围的月牙形焦散斑越来越不明显。

图5 焦散图片Fig.5 Caustic photos

空孔周围主应力差值随时间变化和空孔周围焦散斑特征点连线与水平线夹角θ随时间变化如图6所示。

图6 空孔周围主应力差值及夹角时程Fig.6 The time history of the principal stress difference and angles around empty hole

从图6a可以看出，主应力差值呈现振荡变化规律，当应力波作用于空孔后，空孔周围的主应力差值先振荡性增加，增加到主应力差峰值后再振荡性下降。3种半径的空孔模型周围主应力差峰值出现时间集中在60～70s，峰值分别为30.9、22.0、19.9 MN/m2。可见，随着空孔半径的增大，主应力差的峰值逐渐减小，且降低幅度越来越小，这说明随着空孔半径的增大，空孔孔壁更加难以产生翼裂纹。3种半径的空孔模型主应力差结束时间分别为430、270、170s，这说明空孔半径越大，应力差消失越快。从图6b可以看出，空孔周围主应力场方向也呈现振荡性变化规律，3种模型的特征点连线与水平线夹角θ均是先从小角度开始振荡上升，上升到峰值开始振荡性下降，3种模型的夹角θ峰值分别为30.6°、45.5°、47.9°。可见，随着空孔半径的增加，特征点连线与水平线夹角θ逐渐增大。通过以上空孔周围应力场强弱、主应力差大小和应力场方向分析，可以得出，随着空孔半径增大，空孔导向作用明显，主应力差减小，空孔壁更难断裂，产生新的翼裂纹。

5 结论

1)空孔不仅可以引导裂纹向空孔扩展，还可以抑制裂缝尖端产生新的翼裂纹向保留岩体扩展。

2)在爆炸荷载作用下空孔周围形成复杂应力场，出现应力集中现象。

3)随着空孔半径增大，主应力差的峰值逐渐减小，特征点连线与水平线夹角θ逐渐增大。