爆炸的动静作用破岩与动态裂纹扩展机理研究

爆炸作用下岩石动态本构关系试验研究
针对目前爆炸事故频发的情况，我们开展了爆炸作用下岩石动态本构关系试验研究。

本次试验的目的是探究岩石在极端环境下的变形和破裂特征，为相关领域提供参考依据。

试验采用高速摄影技术和应变测量技术来观测和记录岩石在爆炸作用下的变形和破裂过程。

实验结果表明，岩石在爆炸作用下首先出现激烈变形，然后进入破裂阶段，最终形成碎石。

根据试验结果，我们建立了爆炸作用下的岩石动态本构关系模型。

该模型可应用于类似爆炸作用下的岩石变形和破裂问题中，为岩石工程设计和爆破施工提供指导和依据。

总体来说，本次试验为深入研究岩石在极端环境下的变形和破裂特征提供了参考，也为相关行业提供了理论和实践的支持。

我们相信在未来的研究中，我们将会有更多的成果和发现。

爆破作用下的岩石破碎和破裂机理研究岩石爆破技术已经广泛的应用于矿山开采及工程施工中，然而，爆破作用下的岩石破碎和破裂机理非常复杂，需要进行系统的探讨。

介绍了常见的爆破破岩理论，分析了炸药在岩石中爆破作用的范围，包括压碎区、破裂区及震动区，分析了各范围的作用机理及破坏特点。

标签：爆破岩石破碎压碎区破碎区震动区1引言在工程施工、矿山开采等活动中，经常需要对岩石进行爆破。

爆破时，需要根据施工要求及岩石的特点，选择合适的爆破手段。

研究爆破作用下的岩石破碎和破裂机理，对于精确掌握爆炸作用下的岩石破碎区域、破裂程度与炸药类型的关系，掌控爆炸效果，优化爆破方案具有重要的意义。

2爆破破岩理论介绍2.1爆炸气体产物膨胀压力破坏理论根据爆炸气体产物膨胀压力破坏理论，岩石中的炸药爆炸时，产生了大量的气体，温度和压强不断增大，随着气体的不断膨胀，产生了强大的压力作用在岩石岩壁上。

因为各方位的作用力不同，引起了不同的径向位移，形成了剪切应力。

当剪切应力达到一定程度后，会引起岩石的破裂。

根据爆炸气体产物膨胀压力破坏理论，岩石只有在爆炸气体作用的时间内发生破碎，且产生冲击波的能量仅占炸药总能量的5%～15%，这样少的能量很难使整块岩石破碎。

实际应用说明，在爆炸时，还有其他作用对岩石产生了巨大的影响。

2.2冲击波引起应力波反射破坏理论根据冲击波引起应力波反射破坏理论，岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射转变成的拉应力波造成的。

该理论的主要依据：（1）冲击波波阵面的压力比爆炸气体产物的膨胀压力大得多；（2）岩石的抗拉强度比抗压强度低得多，在自由面处确实常常发现片裂、剥落现象。

（3）根据应力波理论：压缩应力波在自由面处反射成为拉伸应力波。

2.3爆炸气体膨胀压力和应力波共同作用根据该理论，岩石的破坏是高温、高压气体和应力波共同作用的结果。

爆炸时产生的高温、高压气体和应力波有不同的作用。

炸药爆炸后在岩石中产生爆炸冲击波，使炮孔周围附近的岩石被“粉碎”；由于消耗大量的能量，冲击波衰减为应力波，在粉碎区之外造成径向裂隙，反射应力波使这些裂纹进一步扩展；爆炸时产生的高温、高压气体，会发挥“气楔作用”使裂隙扩大，并最终贯通形成岩块。

裂隙岩体三维裂纹动态扩展规律与破断机制裂隙岩体是一种由裂隙网络构成的岩体，裂隙在岩体的形成过程中起着重要的作用。

裂纹动态扩展规律和破断机制是研究裂隙岩体力学行为的关键点，对于地质灾害的预测和防治具有重要意义。

本文将从裂纹动态扩展规律和破断机制两个方面进行探讨。

裂纹动态扩展规律是指在外界作用下，裂纹在岩体中发展和扩展的规律。

一般来说，裂纹动态扩展规律可以分为线性和非线性两种情况。

在线性规律下，裂纹的扩展速度与应力强度因子呈线性关系，即扩展速度正比于应力强度因子。

而在非线性规律下，裂纹的扩展速度与应力强度因子不再呈线性关系，而是随着应力强度因子的增大而增大。

裂纹的动态扩展规律受到多种因素的影响，如岩性、裂隙类型和应力状态等。

其中，岩体的质地和裂隙的形态是决定裂纹动态扩展规律的重要因素之一。

此外，裂纹动态扩展还与岩体的环境条件有关，如温度、湿度等。

这些因素的综合作用决定了裂纹的扩展速度和方向。

破断机制是指在裂纹动态扩展过程中，岩体受到应力作用下的破坏机理。

破断机制可以分为韧性破断和脆性破断两种情况。

在韧性破断中，岩体具有一定的延性，即在受到应力作用下能够发生可逆变形。

而在脆性破断中，岩体则具有较低的延性，受到应力作用后很快发生不可逆变形并形成破碎。

破断机制的选择与岩体的物质性质和应力条件有关。

例如，在高温高压条件下，岩体的韧性破断机制更为显著，而在低温低压条件下，岩体的脆性破断机制则更加明显。

除此之外，破断机制还与裂隙的性质有关。

当裂隙的密度较大，且分布较均匀时，岩体更容易发生脆性破断。

裂纹动态扩展规律和破断机制研究的意义不仅在于理解岩体力学行为的基本规律，还可为工程实践提供理论支持和技术指导。

通过研究裂纹动态扩展规律，可以预测岩体在不同应力状态下的破坏行为，进而为地质工程的设计和施工提供依据。

同时，通过研究破断机制，可以针对岩体的特点开发出相应的防治措施，减少地质灾害的发生。

总之，裂隙岩体裂纹动态扩展规律和破断机制的研究对于理解岩体的力学行为、预测和防治地质灾害具有重要意义。

应用断裂力学对岩爆裂纹扩展的研究摘要：在地下工程施工过程中，由于开挖或其他因素造成围岩体的突然破坏，导致围岩局部应力集中产生发生岩爆现象，岩爆引起的裂纹会降低隧道整体的稳定性以及抗压强度，为研究岩爆裂纹的扩展，本文引入断裂力学判据，应用最大周向理论分析裂纹的断裂角方向，并且得出结论，为围岩中的已有裂隙是否会产生支裂纹，支裂纹出现后扩展方向的判断，如果有可能扩展改如何支护，以及提高围岩整体稳定性提供了有力的依据。

关键词：岩石力学、断裂力学、岩爆、裂纹扩展引言在现代地下工程施工的过程当中，由于围岩体突然受到破坏，导致围岩体中应力场的重新分布，并且伴随着岩体中应变能的突然释放，因此就会产生岩石破裂等失稳现象，而岩爆则是围岩失稳现象的体现。

岩爆是在高地应力地区的地下工程因为开挖卸荷而产生的围岩块飞射抛撒的脆性破坏过程。

大部分的岩爆现象是发生在脆性岩石中，具有突发性和危害巨大等特点，严重威胁施工人员和设施的安全。

通过之前大量学者的研究和实践证明，围岩的破坏是由内部开裂的微裂纹逐渐发展的结果，这也就是说,破坏只是裂纹发展过程的最后阶段; 而要真正了解地下工程围岩的破坏机制, 就是要研究其内部微裂纹的扩展分布规律。

地下工程围岩的裂隙会降低地下工程整体的稳定性以及抗压强度，然而岩石中存在不同程度的各种裂隙，当岩体受到较大荷载作用时，其裂纹将发生扩展，为研究裂纹扩展的方式，因此引入断裂力学的方法来研究。

之前学者通过大量的室内单轴拉伸、三轴拉伸的等实验反映出岩石的脆性断裂性质。

得出结论岩石样品试验的破坏机制大体分为：劈裂破坏与剪切过程伴生着的拉伸破坏和纯剪切破坏，因此可以引用断裂力学准则进行判别。

在岩体受到荷载作用时，岩体裂纹破坏机制主要是拉伸破坏和纯剪切破坏，根据断裂力学观点，针对拉伸破坏和剪切破坏的岩体，其裂纹分别于断裂力学中的Ⅰ型断裂、Ⅱ型断裂以及ⅠⅡ复合型断裂相符，当其应力强度因子K达到Kc 时，裂纹尖端开始扩展，在复合型加载下，裂纹的扩展不一定像单向拉伸那样沿轴线方向伸展，也有可能会拐弯，这个拐弯的角度就是断裂角，根据断裂力学理论，针对复合型断裂理论分为两类，即应力参量理论和能量理论，本文通过最大周向理论来对岩体的断裂角进行研究，以及从能量理论对新裂纹产生进行简单分析。

液态二氧化碳相变爆破裂纹扩展规律研究及应用液态二氧化碳相变爆破是一种运用物理爆破来对低透气性煤层进行增透的方法,具备安全环保、操作简单、适用范围广的特点。

通过对井下进行相变爆破,煤体透气性大幅度提高,瓦斯得到释放,工作面突出可能性降低。

同时,二氧化碳对瓦斯的驱替作用,可以有效提高瓦斯抽采水平。

本文采用理论分析、数值模拟、现场试验等方法,对液态二氧化碳爆破能量、爆破裂纹扩展机理、爆破裂纹扩展规律以及煤层深孔相变爆破增透效果等进行了系统的研究,主要取得以下研究成果:(1)结合二氧化碳的相态特性,分析了相变爆破过程的能量变化,利用R-K-S气体状态方程计算了高压气体的膨胀功与相变爆破设备的爆炸能量。

(2)结合爆破理论与断裂力学,分析了液态二氧化碳相变爆破裂纹扩展机理,计算了高压二氧化碳冲击形成的应力波造成的粉碎区、裂隙区范围,根据宏观裂纹的有效应力强度因子,研究了高压二氧化碳作用下裂纹动态扩展机理。

在准静态应力场分析的基础上,研究了高压气体作用下中远区裂纹二次扩展的形成条件。

(3)基于SPH计算方法,建立了煤体气爆损伤模型,模拟了单孔液态二氧化碳相变爆破的爆破过程,研究了煤体气爆破坏机理,确定了相变爆破的爆破半径,得到了爆破过程钻孔周围粉碎区形成、径向裂纹萌生与扩展规律。

(4)利用SPH算法建立煤体气爆数值模型,研究了孔间相互作用爆破裂纹的形成与扩展规律。

结合理论计算与数值模拟,得到了双孔爆破合理孔间距。

通过研究控制孔对裂纹的导向作用机理和模拟有控制孔作用的双孔爆破,分析了控制孔对裂纹扩展规律的影响。

根据对不同布孔方式下裂纹扩展规律的分析,梅花形布孔爆破能量分布均匀,降低了爆破能量的重复利用率,减弱了应力集中作用,使得钻孔周围的裂纹能够充分发展,可以取得较好的爆破效果。

(5)通过在龙凤煤矿进行煤层深孔相变爆破增透试验,试验表明,液态二氧化碳爆破具有安全高效、操作简单、无污染,且煤层增透效果显著等特点。

爆破动载作用下岩体裂纹扩展规律及巷道稳定性研究近年来,随着我国经济建设的持续发展,采矿工程及其它岩土工程的规模不断扩大,爆破技术也被广泛地应用于矿山开采、巷道开挖等工程领域之中,但是爆破技术在为工程带来便利的同时也给工程的稳定性和安全性带来了隐患,爆破动载下的岩体破坏和岩体稳定性问题越来越受到重视。

因此,研究爆破动载对岩石裂纹扩展及巷道稳定性具有重要的现实意义和理论价值。

首先,论文针对爆破动载下各因素对岩石裂纹扩展的影响不同,基于正交试验设计方法,选取初始裂纹长度、裂纹倾角、裂纹数量、爆破动载和弹性模量、泊松比、密度共七个影响因素为主控因素,设计了18个不同的数值计算方案。

通过不同方案下岩石裂纹扩展长度和声发射次数正交方差分析,发现爆破动载大小对岩石裂纹扩展影响最大,其次是裂纹倾角、裂纹长度,最后是裂纹数量;同时,岩石力学参数对裂纹扩展也有一定影响,其中弹性模量对岩石裂纹扩展影响最大,而其它因素影响较小。

然后,基于Griffith能量释放理论,建立了爆破动载下岩体裂纹扩展计算模型,研究了装药量、爆心距和弹性模量对岩体裂纹扩展的影响。

结果表明,装药量和弹性模量不变时,在爆心距100m范围以内,单次爆破下裂纹扩展长度随着爆心距的增加而快速降低;爆心距和弹性模量不变时,单次爆破作用下岩体裂纹扩展长度随着装药量的增加呈线性增加,且在装药量大于150KG时,同一爆心距下的裂纹扩展速度随装药量的呈迅速增大的趋势;装药量和爆心距不变时,当弹性模量小于60GPa,单次爆破下裂纹扩展长度随着弹性模量的增加而快速降低。

接着,利用RFPA软件对不同爆破参数下的岩体裂纹扩展进行数值分析,结果表明,当装药量为300KG时,在爆心距小于125m的范围以内,随着爆心距的增加,单次爆破下裂纹扩展长度快速降低;同时当弹性模量大于50GPa时,随着弹性模量的增加,单次爆破产生的裂纹扩展长度变化趋于平缓。

通过爆破动载下岩石裂纹扩展长度数值计算结果和理论计算结果对比分析,两种方法计算结果相对误差小于10.6%,表明建立的爆破动载下岩体裂纹扩展计算模型能够反映裂纹的形成和扩展。

岩石动态碎裂机理及其影响因素的实验研究与模拟岩石动态碎裂机理及其影响因素一直是地质学和岩石力学领域的研究热点。

岩石碎裂是岩体在应力作用下发生破坏、断裂、产生裂隙的过程。

了解岩石碎裂机理及其影响因素对于预测地质灾害、工程设计和资源勘探等具有重要意义。

本文将探讨岩石动态碎裂的机理，并分析影响因素的实验研究和模拟方法。

一、岩石动态碎裂机理岩石动态碎裂机理是指在外部作用力的作用下，岩石内部发生断裂和破碎的形成机制。

这一机理主要包括应力集中、裂纹扩展和断裂破坏等过程。

1. 应力集中：外部作用力使岩石内部应力集中，当应力达到一定程度时，岩石开始发生裂纹。

2. 裂纹扩展：随着外部应力的继续作用，岩石内部的裂纹逐渐扩展，从微观尺度到宏观尺度，形成大片的破碎区域。

3. 断裂破坏：当裂纹扩展到一定程度时，岩石会发生断裂破坏，形成明显的断层面和碎裂细胞。

二、影响因素的实验研究方法影响岩石动态碎裂的因素主要包括岩石性质、应力状态、加载速率等。

为了研究这些影响因素，科学家运用了多种实验方法。

1. 静态实验：通过对岩石样本进行静态加载试验，可以研究不同应力状态下岩石的破坏特性。

这种实验方法适用于研究岩石的基本力学性质和破坏模式。

2. 动态实验：动态加载试验是模拟岩石在地震、爆破等动态载荷下的破坏过程。

这种实验方法能够更准确地模拟实际工程中的动态载荷，研究岩石的瞬变响应和破坏机制。

3. 数值模拟：除了实验方法，数值模拟也是研究岩石动态碎裂的重要手段。

通过建立适当的岩石模型和加载条件，可以模拟不同条件下岩石的破坏过程，并进一步分析各种影响因素的作用机制。

三、影响因素的研究与模拟分析1. 岩石性质：岩石的物理力学性质对其动态碎裂特性具有重要影响。

研究者可以通过实验测量和数值模拟来确定不同岩石类型的力学参数，并进一步分析其与碎裂机理的关系。

2. 应力状态：应力状态是影响岩石碎裂的重要因素之一。

实验可以通过改变加载方向和大小来模拟不同的应力状态，进而研究其对岩石破坏过程的影响。

第36卷 第6期爆炸与冲击V o l.36,N o.6 2016年11月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S N o v.,2016D O I:10.11883/1001-1455(2016)06-0825-07爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟*钟波波,李 宏,张永彬(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)摘要:运用岩石破裂过程分析软件R F P A-d y n a m i c,就爆炸荷载的加载速率㊁炮孔到自由边界的距离以及两炮孔中间空孔的大小对动态裂纹扩展方式的影响进行了研究㊂结果表明:随着加载速率的减小,炮孔周围的破碎区逐渐减少;裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区外边缘向炮孔孔壁转移;萌生的分支小裂纹逐渐减少,主裂纹扩展长度逐渐增大㊂由于自由边界的影响,炮孔向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且炮孔到自由边界的距离越小,这种趋势越明显㊂由于空孔的导向作用,使靠近空孔的裂纹逐渐弯曲向空孔处扩展,同时在空孔孔壁两端产生一条向炮孔扩展的裂纹;空孔半径大小对裂纹的导向作用,并无明显的影响;材料的非均匀性,对裂纹的扩展方式有显著的影响㊂关键词:固体力学;裂纹扩展;R F P A-d y n a m i c;爆炸应力波;空孔中图分类号:O346.1 国标学科代码:1301545 文献标志码:A在采矿工程㊁石油开采工程及地震预测等领域中,常常关注裂纹㊁空孔㊁夹杂物等爆破结构或材料中的原始缺陷,对介质中应力波传播方式的影响㊂尤其在巷道或隧道的开挖中,常设置一些空孔,利用空孔的应力集中效应㊁自由面效应和卸压效应,以提高爆破效果㊂空孔在爆破过程的作用机理,有了大量的研究㊂S.H.C h o等[1]通过数值模拟的方法,研究了不同波形和自由边界对动态裂纹扩展过程的影响,并讨论了岩石的非均匀性对断裂模式的影响;S.H.C h o等[2]通过D F P A软件研究了两端带有刻痕的空孔对动态裂纹扩展过程的控制作用,并讨论了空孔位置㊁两炮孔起爆时间误差和材料非均匀性对裂纹扩展的影响;Z.A l i a b a d i a n等[3]采用二维动态离散元方法研究了预裂爆破方法,主要考虑的参数是应力张量和压裂模式,结果表明爆炸荷载的大小和炮孔间距非常重要;李启月等[4]运用L S-D Y N A,模拟了槽孔与不同直径空孔的动态破碎贯通过程,分析了不同直径空孔引起的空孔效应及其对槽腔岩石破坏和槽腔成型的促进作用;岳中文等[5]采用新型数字激光动态焦散线实验系统,以P MMA为实验材料,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㊂由于岩石是一种非均匀材料,其断裂过程依赖于应变率的大小,其空孔作用机理复杂㊁设置灵活,所以对空孔周围应力场变化过程和动态裂纹扩展方式进行研究有着重要的理论意义和工程价值㊂本文中,选用R F P A-d y n a m i c分析系统,就爆炸荷载加载速率㊁炮孔到自由边界距离以及两炮孔中间空孔大小对动态裂纹扩展方式的影响进行研究㊂该程序可以以一个应力波或初始速度作为输入,按照时间步长进行逐步分析,在每个时间步内,考虑质量和加速度对于力学平衡的影响,用弹性动力有限元程序进行应力分析,用最大拉应力准则和摩尔库仑准则判断单元是否损伤,从而可以再现岩石这种非均匀材料在爆炸荷载作用下的动态裂纹扩展过程㊂1 模 型R F P A-d y n a m i c分析系统规定应力以压为正,拉为负,相关详情请参见文献[6-8]㊂模型如图1所示,尺寸为200mm×100mm,划分为500×250=125000个单元,炮孔半径r0均为4mm㊂图1(a)中,炮孔到自由边界距离l分别为35㊁30㊁25mm;图1(b)中,两个炮孔间距s为50mm,*收稿日期:2015-04-15;修回日期:2015-06-29基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014C B047100,2011C B013503)第一作者:钟波波(1990 ),男,硕士研究生,y t g c z b b@163.c o m㊂图1分析模型几何示意图F i g .1S c h e m a t i c g e o m e t r y f o r a n a l y s i sm o d e l 图2施加荷载的压力曲线F i g .2P r e s s u r e c u r v e s f o r a p p l i e d p r e s s u r ew a v e f o r m s 两炮孔中间空孔半径r 2分别为2㊁4㊁6mm ㊂施加的爆炸荷载如图2所示,荷载峰值都为10M P a ,荷载上升时间分别为1㊁5㊁10㊁20μs ,荷载从峰值衰减到零的时间不变,均为5μs ㊂为了计算的精确性,动态时间步长取为0.2μs ㊂ 研究爆炸荷载加载速率和空孔大小对动态裂纹扩展方式的影响时,模型边界都为连续边界条件,应力波不发生反射;研究炮孔到自由边界距离对动态裂纹扩展方式的影响时,模型底边为自由边界,应力波可以发生反射,其余边界仍为连续边界㊂采用平面应变模型,进行分析㊂ 计算参数分别为:P 波波速v P =5.00k m /s ,S 波波速v S =2.89k m /s ,密度ρ=2.7t /m 3,弹性模量E =56G P a ,泊松比ν=0.25,抗压强度T =75M P a ,压拉比η=15,均质系数m =5㊂为了考虑材料的非均匀性,假设基质单元的弹性模量及强度等力学参数服从W e i b u l l 分布函数,即:φ(α)=m α0ααæèçöø÷0m -1e -αα()0m (1)式中:m 为均质系数,反映岩石材料力学性质的均质度,m 越小则岩石的性质越不均匀;α0为反映岩石材料平均性质的参数㊂有关上述分布函数和参数的定义及选取方法参见文献[9-10]㊂2 结 果2.1 单孔2.1.1 爆炸荷载加载速率对动态裂纹扩展方式的影响4种加载速率下最大主应力分布及裂纹扩展方式,如图3所示㊂从图3中可以看出,随着加载速率的减小,炮孔周围的破碎区逐渐减小,裂纹开始萌生的位置逐渐改变㊂第1种加载速率下,炮孔周围形成一圈破碎区,裂纹开始萌生的位置为破碎区的外边缘;第4种加载速率下,炮孔周围未能形成破碎区,裂纹开始萌生的位置为炮孔孔壁;第2㊁3种加载速率下,破碎区范围逐渐减少,裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区的外边缘向炮孔孔壁转移㊂这个现象主要是由于,随着加载速率的减小爆炸荷载引起的应力波作用逐渐减弱,当加载速率很小时,裂纹萌生就会类似于炮孔孔壁受法向均匀静荷载时的情况㊂从图3中还可以发现,随着加载速率的减小,萌生的分支小裂纹逐渐减少,而主裂纹扩展的长度逐渐增大㊂上述模拟结果与文献[1]所得到的结论基本一致㊂628爆 炸 与 冲 击 第36卷图3不同加载速率下最大主应力分布及裂纹扩展F i g .3M a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s s d i s t r i b u t i o na n d c r a c k p r o p a g a t i o na t d i f f e r e n t l o a d i n g r a t e s 2.1.2 炮孔到自由边界距离对动态裂纹扩展方式的影响只施加第1种荷载,将炮孔到自由边界的距离分别取为35㊁30和25mm ,结果如图4所示㊂根据应力波传播理论,当应力波传播到自由面时,压缩应力波反射为拉伸应力波,产生拉应力㊂该拉应力与先前的压应力叠加,使靠近自由面单元的径向压应力减小㊂当反射回来的拉伸应力波幅值大于先前入射的压缩应力波幅值时,在靠近自由面的区域内就会出现只有拉应力的情况㊂根据最大拉应力瞬时断裂准则[11],一旦拉应力达到或超过材料的抗拉临界值时,就会发生层裂㊂ 从图4中可以发现,炮孔处向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且随着炮孔到自由边界距离的减小,这种趋势更加明显,说明自由表面的存在对裂纹扩展方向产生了明显的影响㊂炮孔到自由边界越近,应力波传播到自由面位置的幅值就越大,相应地反射产生的拉应力幅值也就越大,层裂现象越明显㊂当炮孔到自由边界的距离较小时,炮孔处扩展的裂纹与层裂产生的裂纹在自由面附近,更易于互相搭接和贯通㊂图4炮孔到自由边界不同距离下最大主应力分布及裂纹扩展F i g .4M a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s s d i s t r i b u t i o na n d c r a c k p r o p a g a t i o no f d i f f e r e n t d i s t a n c e f r o mc h a r g eh o l e t o f r e eb o u n d a r y 2.2 双孔2.2.1 爆炸应力波与空孔相互作用的理论依据炮孔爆炸后,向周围岩石施加冲击荷载,冲击波向外传播而不断衰减,最后变成应力波㊂当应力波传播到空孔孔壁表面时,在空气与介质的分界面处,将产生透射与反射㊂下面分析应力波垂直传播到空孔孔壁时,即正入射时,模型中反射波的情况㊂如图5所示,炮孔起爆后,在其周围介质中激起爆炸应力波,并向外传播,随着传播距离的增加,应力峰值衰减规律为[12]:728 第6期 钟波波,等:爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟图5空孔应力集中作用分析图F i g .5C o n c e n t r a t e de f f e c t o f s t r e s s a r o u n d g u i d eh o l e σr =p 0r 0æèçöø÷r α,σθ=λd σr (2)式中:σr 为介质中某点的爆炸附加径向应力;σθ为介质中某点的爆炸附加环向应力;p0为炸药爆炸后作用于孔壁的初始压力;r 0为炮孔半径;r 为介质中某点到炮孔中心的距离;α为应力波衰减系数[12],α=2±(ν/1-νd );νd 为介质的动态泊松比,工程爆破加载速率范围内的动态泊松比与静态泊松比ν的关系为νd =0.8ν;λd 为动态侧应力系数,λd =ν/(1-νd )㊂ 当应力波传到空孔孔壁时,由于应力波的反射,空孔孔壁附近的应力将比无空孔时大,表现为空孔的应力集中效应㊂根据弹性力学理论,空孔附近的峰值应力状态表示为:σr r =121-κ()2σθ-σ()r +1-4κ2+3κ()4σθc o s 2θ+σr c o s 2()[]θσθθ=121+κ()2σθ-σ()r +1+3κ()2σθc o s 2θ+σr c o s 2()[]θτr θ=121+2κ2-3κ()4σθc o s 2θ+σr c o s 2()ìîíïïïïïïïθ(3)式中:σr r 为空孔应力集中后介质中的径向应力;σθθ为空孔应力集中后介质中的环向应力;r 2为空孔半径;R 为介质中某点到空孔中心的距离;θ为计算点到炮孔中心连线与炮孔和空孔连线的夹角;κ=r 2/R ㊂ 对上式求d σθθ/d θ,令d σθθ/d θ=0,得θ=0,±π,可知径向应力㊁环向应力及剪切应力的最大值均出现在炮孔与空孔连线方向上㊂此时:σr r =121-κ()2σθ-σ()r +1-4κ2+3κ()4σθ+σ()[]r σθθ=121+κ()2σθ-σ()r +1+3κ()2σθ+σ()[]r τr θ=121+2κ2-3κ()4σθ+σ()ìîíïïïïïïïr (4) 在空孔孔壁上时,r 2=R ,即κ=1,得:σr r =0σθθ,m a x =3σθ+σr =3λd +()1p 0r 0S /2-r æèçöø÷2ατr θ=ìîíïïïï0(5)2.2.2 空孔大小对动态裂纹扩展方式的影响空孔在爆破中有着重要地位,特别是在控制定向爆破中对应力波具有导向作用,这点已得到了证明[4-5]㊂ 图6(a )~(c )分别为半径2㊁4和6mm 空孔在第1种荷载作用下的最大主应力分布及其裂纹扩展方式㊂从图中可以看到,炮孔起爆后,伴随着应力波由炮孔逐渐向外传播,在炮孔周围逐渐形成破碎区,裂纹在破碎区边缘开始萌生㊁扩展;当应力波传播到空孔孔壁时,小部分应力波发生反射,反射波与之后的入射波叠加,相当于在空孔孔壁处产生了卸荷作用,大部分应力波继续向外传播,与另外炮孔产生的应力波叠加,叠加部位压应力幅值增加;炮孔周围萌生的裂纹呈放射状向外扩展,但由于空孔的导向作828爆 炸 与 冲 击 第36卷用,使靠近空孔的裂纹逐渐弯曲向空孔处扩展,同时在空孔孔壁两端产生一条向炮孔扩展的裂纹㊂可见,空孔半径对裂纹的导向作用并无明显的影响,这与文献[13]的研究结果基本一致㊂半径4㊁6mm 空孔孔壁裂纹的萌生位置大约在与炮孔中心连线处,这与上述理论分析一致㊂而半径2mm 空孔的却不在中心连线处,这是由于当空孔半径较小时,非均匀性对它的影响比大孔径空孔的大㊂图6(d )为均质系数25㊁半径2mm 空孔模型的最大主应力分布及裂纹扩展方式㊂通过与图6(a )作对比,发现:当均质系数增大时,分支小裂纹减少,以扩展长度基本相同的主裂纹为主,且裂纹较平直光滑;两炮孔裂纹萌生位置和扩展方式基本一样㊂由于炮孔各方向受力相同,当材料较均匀时,裂纹萌生㊁扩展具有对称性㊂图6(d )中大约在空孔与炮孔中心连线上萌生了两条裂纹,且很平直地向炮孔方向扩展㊂这个现象与上述的弹性理论较吻合,同时说明了考虑材料非均匀性的重要意义㊂图6不同半径空孔的最大主应力分布及裂纹扩展F i g .6M a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s s d i s t r i b u t i o na n d c r a c k p r o p a g a t i o no f d i f f e r e n t g u i d eh o l e s 2.2.3 空孔孔壁单元的主应力曲线图7为与左炮孔中心连线处㊁距空孔孔壁1.2mm 处一个单元的主应力曲线,该空孔半径为4mm ㊂可以清楚看到应力波的传播㊁反射和叠加:随着应力波从炮孔向空孔的传播,单元最大主应力从零开始逐渐增大到1M P a,到达A 点后,由于爆炸荷载开始衰减和反射的拉应力与入射的压应力叠加的双重作用,主应力开始下降;B 点为临界点,由于拉应力随着反射波的增多而增大,主应力开始反向增大,C点为最大主应力反向的最大值,约为1M P a ;C 点到D 点之间,由于右炮孔产生的应力波传播到了空孔左孔壁附近,导致主应力曲线出现小幅度的波动;从D 点所对应时间的最小主应力云图可以发现,由于左右炮孔向外传播的应力波和空孔孔壁反射的应力波相互叠加㊁炮孔辐射状裂纹尖端的应力集中及破坏单元周围的应力释放,空孔孔壁周围形成了一个拉应力集中区,当拉应力达到试样的抗拉强度(5M P a )时,裂纹开始萌生(E 点);裂纹一旦萌生,单元应力迅速降到零㊂928 第6期 钟波波,等:爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟图7单元的主应力曲线F i g .7T h e p r i n c i p a l s t r e s s c u r v e s o f t h e e l e m e n t 3 结 论炮孔周围为连续边界条件时,在爆炸荷载作用下,随着加载速率的减小,炮孔周围的破碎区逐渐减少,裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区外边缘向炮孔孔壁转移,孔壁周围萌生的分支小裂纹逐渐减少,主裂纹扩展长度逐渐增大㊂炮孔周围存在自由边界时,由于自由面的影响,炮孔向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且炮孔到自由边界的距离越小,这种趋势越明显,加上层裂的作用,自由面附近的裂纹更易于互相搭接㊁扩展和贯通㊂当两炮孔中间有一个空孔时,由于空孔的导向作用,使炮孔向空孔方向扩展的裂纹,逐渐弯曲向空孔处扩展,但空孔半径大小对裂纹的导向作用,并无明显的影响,同时大约在空孔与炮孔中心连线上,空孔孔壁两端萌生了向炮孔处扩展的裂纹,由于材料的非均匀性,裂纹的萌生位置和扩展方式与弹性理论解有着些许的不同㊂由空孔孔壁处单元的主应力时程曲线可以发现,孔壁裂纹是由于空孔周围的拉应力集中而萌生的㊂参考文献:[1] C h oSH ,K a n e k oK.I n f l u e n c e o f t h e a p p l i e d p r e s s u r ew a v e f o r mo n t h e d y n a m i c f r a c t u r e p r o c e s s e s i n r o c k [J ].I n -t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fR o c k M e c h a n i c s a n d M i n i n g Sc i e n c e s ,2004,41(5):771-784.[2] C h oS H ,N a k a m u r aY ,M o h a n t y B ,e t a l .N u m e r i c a l s t ud y o f f r a c t u re p l a n e c o n t r o l i n l a b o r a t o r y -s c a l eb l a s t i n g [J ].E n g i n e e r i n g F r a c t u r eM e c h a n i c s ,2008,75(13):3966-3984.[3] A l i a b a d i a nZ ,S h a r a f i s a f aM.N u m e r i c a lm o d e l i n g o f p r e s p l i t t i n g co n t r o l l e dm e t h o d i n c o n t i n u u mr o c k m a s s e s [J ].A r a b i a n J o u r n a l o fG e o s c i e n c e s ,2013,7(12):5005-5020.[4] 李启月,徐敏,范作鹏,等.直眼掏槽破岩过程模拟与空孔效应分析[J ].爆破,2011,28(4):23-26.L iQ i y u e ,X uM i n ,F a nZ u o p e n g ,e t a l .S i m u l a t i o n o f r o c k f a i l u r e p r o c e s s i n c u t t i n g b y p a r a l l e l h o l e a n d a n a l ys i s o n 038爆 炸 与 冲 击 第36卷e m p t y h o l e ef f e c t [J ].B l a s t i ng ,2011,28(4):23-26.[5] 岳中文,郭洋,许鹏,等.定向断裂控制爆破的空孔效应实验分析[J ].爆炸与冲击,2015,35(3):304-311.Y u eZ h o n g w e n ,G u oY a n g ,X uP e n g ,e t a l .A n a l y s i s o f e m p t y h o l e e f f e c t i nd i r e c t i o n a l f r a c t u r e c o n t r o l l e db l a s t i n g[J ].E x p l o s i o na n dS h o c k W a v e s ,2015,35(3):304-311.[6] C h a uK T ,Z h u W C ,T a n g C ,e t a l .N u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f f a i l u r e o f b r i t t l e s o l i d s u n d e r d y n a m i c i m p a c t u s i n gan e wc o m p u t e r p r o g r a m :D I F A R [J ].K e y E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s ,2004,261/263(1):239-244.[7] Z h u W C ,T a n g C A ,H u a n g ZP ,e t a l .An u m e r i c a l s t u d y o f t h e e f f e c t o f l o a d i n g c o n d i t i o n s o n t h e d y n a m i c f a i l -u r e o f r o c k [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fR o c k M e c h a n i c s a n d M i n i n g S c i e n c e s ,2004,41(3):424-424.[8] Z h u W C ,T a n g C A.N u m e r i c a l s i m u l a t i o no fB r a z i l i a nd i s k r o c k f a i l u r eu n d e r s t a t i c a n dd y n a m i c l o a d i n g [J ].I n -t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fR o c k M e c h a n i c s a n d M i n i n g S c i e n c e s ,2006,43(2):236-252.[9] 唐春安.岩石声发射规律数值模拟初探[J ].岩石力学与工程学报,1997,16(4):368-374.T a n g C h u n ’a n .N u m e r i c a l s i m u l a t i o no fA E i n r o c k f a i l u r e [J ].C h i n e s e J o u r n a l o fR o c k M e c h a n i c s a n dE n g i n e e r -i n g ,1997,16(4):368-374.[10] T a n g C .N u m e r i c a l s i m u l a t i o no f p r o g r e s s i v er o c kf a i l u r ea n da s s o c i a t e ds e i s m i c i t y [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f R o c k M e c h a n i c s a n d M i n i n g Sc i e n c e s ,1997,34(2):249-261.[11] 王礼立,朱兆祥.应力波基础[M ].2版.北京:国防工业出版社,2005.[12] 戴俊.柱状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算[J ].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2001,20(2):144-147.D a i J u n .C a l c u l a t i o n o f r a d i i o f t h e b r o k e n a n d c r a c k e d a r e a s i n r o c kb y a l o n g c h a r g e e x p l o s i o n [J ].J o u r n a l o f L i a -o n i n g T e c h n i c a lU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e ),2001,20(2):144-147.[13] 文梼,谭海.岩石爆破中的空孔效应数值计算分析[J ].爆破,2011,28(3):58-61.W e nT a o ,T a n H a i .T h ee m p t y h o l ee f f e c tn u m e r i c a l c o m p u t a t i o na n a l y s i sd u r i n g r o c kb l a s t i n g [J ].B l a s t i n g,2011,28(3):58-61.N u m e r i c a l s i m u l a t i o no f d y n a m i c c r a c k s p r o p a g a t i o n o f r o c ku n d e r b l a s t i n g l o a d i n gZ h o n g B o b o ,L iH o n g ,Z h a n g Y o n g b i n (S t a t eK e y L a b o r a t o r y C o a s t a l a n dO f f s h o r eE n g i n e e r i n g ,D a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,D a l i a n 116024,L i a o n i n g ,C h i n a )A b s t r a c t :T h e i n f l u e n c e s o f t h e b l a s t l o a d i n g r a t e ,t h e d i s t a n c e f r o mt h e g u i d e h o l e t o t h e f r e e b o u n d a -r y a n dt h er a d i u so f t h e g u i d eh o l eb e t w e e nt h et w oc h a r g eh o l e s ,o nt h ed y n a m i c p r o p a ga t i o no f c r a c k s i n r o c kw e r e s t u d i e d u s i n g r e a l i s t i c f a i l u r e p r o c e s s a n a l y s i s (R F P A -d y n a m i c ).T h e r e s u l t s s h o w t h a t ,a s t h e l o a d i n g r a t e d e c r e a s e s ,t h e c r u s h e d z o n e a r o u n d t h e c h a r g e h o l e i s g r a d u a l l y re d u c e d ;t h e p o s i t i o nof t h ec r a c ki n i t i a t i o n m o v e sg r a d u a l l y f r o mth ec r u s h e dz o n et ot h ec h a r g eh o l e ;a n dt h e n u m b e r o f s m a l l b r a n c hc r a c k s g r a d u a l l y d e c r e a s e sw hi l e t h e l e n g t ho f t h em a i nc r a c k i n c r e a s e s .D u e t o t h e i n f l u e n c e o f t h e f r e eb o u n d a r y ,t h e c r a c k s t h a tw e r e p r e v i o u s l y d o w n w a r dn o w g r a d u a l l y be n d i n t h e h o r i z o n t a l d i r e c t i o n ,a n d t h i s t e n d e n c y b e c o m e sm o r e o b s e r v a b l e a s t h e d i s t a n c ef r o mt h e c h a rg eh o l e t o t h e f r e eb o u n d a r yg e t s s h o r t e r .A s a r e s u l t o f t h e g ui d a n c e o f t h e g u i d e h o l e ,t h e c r a c k s c l o s e t o t h e g u i d eh o l e g r a d u a l l y cu r v e t o t h e g u i d eh o l e a n d ,a t t h e s a m e t i m e ,a c r a c k i s f o r m e da tb o t h e n d so f t h e g u i d e h o l ew a l l t h a t p r o p a g a t e s t o t h e c h a r g e h o l e .T h e r a d i u s o f t h e g u i d e h o l e h a s n o o b -v i o u s e f f e c t o n t h e g u i d i n g r o l e ,b u t t h e n o n u n i f o r m i t y o f t h em a t e r i a l d o e s h a v e a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n t h ew a y t h e c r a c k s p r o p a g a t e .K e y w o r d s :s o l i dm e c h a n i c s ;c r a c k p r o p a g a t i o n ;R F P A -d y n a m i c ;e x p l o s i v e s t r e s sw a v e ;g u i d eh o l e (责任编辑 丁 峰)138 第6期 钟波波,等:爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟。

岩石静态定向破裂力学机理及其技术研究静态爆破技术具有无噪音、无震动、无飞石和无粉尘的优点,被广泛应用于岩土、交通、采矿、水利水电等工程中。

针对圆孔装药后的膨胀应力在孔周边呈现均匀分布而无法控制裂纹扩展方向这一问题,展开含不同形状单孔、多孔的静态定向破裂力学机理、实验及其技术研究。

通过分析认为:微裂纹是在较高压应力、拉应力和药柱与孔壁之间的摩擦力作用下产生的,然后随着膨胀力的增大,沿着某几条微裂纹扩展成宏观裂纹。

建立了含椭圆孔、矩形孔静态膨胀受力的数学模型,通过计算得到:椭圆孔长轴尖角处的应力集中系数达到3-9倍,矩形孔四个尖角处的应力集中系数达到7-9倍。

基于此结论,确定了静态定向开裂的两个基本条件:开裂位置确定与膨胀力向垂直于开裂方向集中。

利用混凝土易于造孔的特点,分别浇筑了一系列不同几何尺寸的含圆孔、椭圆孔、矩形孔和模拟矩形孔、菱形孔钢模具的混凝土试块,并进行静态破碎试验,结果发现:相对于圆形孔,其他形状的装药孔都有一定的定向作用,并且定向效果:矩形孔弱于菱形孔,菱形孔弱于椭圆孔。

研究了多个约束面上含成排圆孔的岩石分割机理,同样也能起到定向作用。

同时,利用声发射仪器记录并分析了裂纹扩展的时空分布规律,声发射事件数的密集程度能很好地反应裂纹扩展的路径:从钻孔中部出现较多裂纹,然后向孔口自由面扩展,直至扩展到边沿。

利用ANSYS有限元软件对其应力场分布和裂纹扩展进行分析,模拟结果与理论分析、试验结果基本吻合。

最后,对实际工程中巷道断面修复、巷道贯通等进行了数值仿真与物理模型实验。