爆破开挖中巷道围岩裂纹扩展的动焦散研究

文章编号：爆破开挖中巷道围岩缺陷扩展的动焦散模型实验研究郭东明1,2，闫鹏洋1，杨仁树1,2，左建平1，袁保森1，赵伟1（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083）摘要：为了分析爆炸动荷载对巷道围岩不同位置处缺陷的扰动影响，采用爆炸加载透射式动焦散实验方法，进行了相关实验研究，研究结果表明，在爆炸动荷载作用下，位于巷道顶端的竖直裂纹最易扩展，拱部和底角处倾斜裂纹较易发生扩展，巷帮处水平裂纹不易扩展，扩展位移分别为31mm、17mm、20mm、6mm。裂纹的扩展位移与应力强度因子值密切相关，巷道顶部裂纹IK值相对其他三条裂纹的IK值最大，拱部和底角处倾斜裂纹的IK值次之，巷帮处水平裂纹的IK值最小。上述研究成果对减少爆破动载荷对围岩的扰动和损伤,节约围岩的支护成本，保证安全施工和快速施工有重要的指导意义。关键词：爆炸动荷载；巷道围岩；裂纹扩展；动焦散实验方法；应力强度因子中图分类号：文献标识码：DynamiccausticsmodelexperimentalstudyonthedefectsextensionofroadwaysurroundingrockwhenblastingexcavationGUODong-ming1,2,YANPeng-yang1,YANGRen-shu1,2,ZUOJian-ping1,YUANBao-sen1,ZHAOWei1(1.SchoolofMechanicsandArchitectureEngineering,ChinaUniversityofMining&TechnologyBeijing,Beijing100083,China；2.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,Beijing100083,China)Abstract:Inordertoanalyzethedisturbanceinfluenceofblastingdynamicloadonroadwaysurroundingrockdefectsindifferentlocation,theblast-loadingsystembasedondynamicreflected收稿时间：2013-09-28基金项目：国家自然基金面上项目（51274204）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-12-0965）。作者简介：郭东明（1974~），男，江西新余人，副教授，硕士生导师，主要从事矿井建设方面教学和研究。E-mail：[e-mail]:15652938237causticswasusedtoconducttherelatedexperimentalstudy.Theresearchresultsshowthatundertheexplosiondynamicloadtheverticalcrackatthetopoftheroadwayismoreeasytoextendthanothers，thenaretheinclinedcracksatthearchandthecorner，andthelastarethehorizontalcrackswiththedataofcrackspropagationlength31mm、17mm、20mmand6mmrespectively.Thevalueofthedisplacementofcrackpropagationhasadirectrelationshipwiththevalueofthestressintensityfactor，andthevalueofthestressintensityfactoroftheverticalcrackatthetopoftheroadwayisgreaterthanthatofotherthreecracks，thenisthevalueoftheinclinedcracksatthearchandcornerandthatvalueofthethehorizontalcrackhasaminimumlevel.Theaboveresearchresultshavetheconductiveconsequenceonreducingthedisturbanceanddamageoftheblastingdynamicloadonsurroundingrock,savingthecostofsurroundingrocksupporting,ensuringconstructionsafelyandrapidly.Keywords:theblastingdynamicload；roadwaysurroundingrock；crackpropagation；dynamiccausticssystem；stressintensityfactor目前巷道（隧道）的掘进广泛采用钻爆法施工[1]，爆炸动载荷对围岩的损伤有很大影响，尤其对含缺陷的围岩影响更大[2]。钻爆法施工中易出现围岩缺陷的扩展和贯通，导致围岩破碎塌落的现象，严重时发生巷道坍塌，对施工人员和巷道的安全施工造成威胁，同时爆炸动载荷使围岩松动圈厚度增大，增加了围岩支护的成本[3,4]。针对岩石爆破对围岩产生损伤断裂的不利影响，国内外许多学者进行了大量研究。李新平、朱瑞赓等[5]结合损伤力学和断裂力学,分析了岩体中裂隙系统的损伤和断裂特性，建立了以应变、岩体平均应力为基本变量的等效连续损伤断裂模型以及岩体的损伤演化方程。杨小林、王树仁[6]对岩石爆破损伤断裂的细观机理进行了研究，在岩石爆破损伤断裂过程的应力波初期动态损伤阶段和后期爆生气体作用下准静态损伤阶段的基础上建立了两个阶段的损伤模型和断裂准则，阐述了岩石的爆破损伤断裂细观理论。杨军、金乾坤[7]应用岩石在冲击损伤过程中的声波测试衰减规律,在TCK损伤模型的基础上，建立新的爆破损伤模型，并通过数值模拟反映了岩石在爆炸载荷作用下的损伤演化状况。巷道围岩在爆炸动载荷作用下发生的复杂断裂行为，由于数学处理方法的复杂性，难以用解析的方法对其进行研究和解释，实验断裂力学则成为主要的研究方法。针对岩石在动荷载下的动态断裂问题，国内许多学者进行了相关的研究。杨仁树、李清等[8,9]学者用PMMA材料模拟了切缝药包控制下爆炸裂纹的起裂、扩展和止裂的行为，并且分析了裂纹扩展位移、速度、加速度、动态应力强度因子和能量释放率的变化规律。岳中文、杨仁树、李清等[10~12]使用PMMA材料模拟含有层理和节理的岩石，对爆炸荷载作用下裂纹动态行为[13,14]和动态应力强度因子的变化进行焦散线实验的研究。肖同社、杨仁树等[15~17]建立实验模型，对节理岩体爆生裂纹的扩展进行了研究。减少爆破动荷载对围岩的损伤和扰动，可以节约围岩支护的成本[18,19]，然而针对巷道钻爆法施工对不同位置处围岩缺陷扩展机理的研究，国内外相关的文献较少。本文拟采用数字激光动态焦散线实验系统，模拟浅部巷道围岩缺陷的动态变化，研究裂纹扩展方向、扩展位移、扩展速度和动态应力强度因子IK的变化规律，从而确定了裂纹缺陷容易扩展的不利位置。1实验模型与动焦散实验原理1.1模型设计试验的材质选用透明的有机玻璃（PMMA），已知有机玻璃的相关动态力学参数为：smCS1200，smCP2252，PaEd9105.4，Nmct/1088.0210，38.0dv。有机玻璃模型的透射式动焦散试验中，试件的厚度越大，测量数据的误差会越大，为了保证测量数据的精度，有机玻璃试件的规格选为300mm×300mm×10mm，在试件中心挖5mm深直墙拱形巷道模型，巷道模型宽40mm,直墙高20mm，圆弧半径为20mm，模型中心的炮孔直径为6mm，预制8条与巷道模型贯通的裂纹，预制裂纹长度均为5mm，厚度为10mm，如图1所示，分别为A裂纹（90°）、B裂纹（135°）、C裂纹（45°）、D裂纹（180°）、E裂纹（0°）、F裂纹（–135°）、G裂纹（–90°）、H裂纹（–45°），对称分布在巷道模型两侧，预制裂纹方向与爆炸应力波垂直，有利于裂纹的扩展，使实验现象更明显。实验用药为叠氮化铅单质炸药，单孔装药量为190mg。图1模型示意图Fig.1Themodeldiagram1.2动焦散原理光束垂直照射受载带有边缘裂纹的透明薄板试件时，在两平行面上光线发生反射或折射，由于裂纹端部复杂的变形状态，裂纹端部附近的厚度和材料的折射率均发生变化，使光线在穿过裂纹端部应力集中区域时发生强烈的偏转和汇聚，在试件和场镜间出现简单而清晰的阴影光学图形，形成三维的明亮包络面即焦散面。垂直入射平行光裂纹参考平面三维焦散包络曲面阴影区三维焦散包络曲面σσσ图2焦散线成像示意图Fig.2Schematicdiagramofcausticsformation数字激光动态焦散线实验系统操作方便，适用于爆破、冲击等动态断裂试验过程的光测力学分析，便于观察实验现象的动态变化，能够提高试验的精确度和成功率，节约试验成本，图3为透射式焦散线试验系统光路示意图，图4为数字激光动态焦散线实验系统设备。激光光源场镜1有机玻璃试件扩束镜参考平面场镜2高速摄影仪图3透射式焦散线试验系统光路示意图Fig.3Schematicdiagramoftransmissioncausticsexperimentalsystem图(a)多通道起爆器图(b)透射式焦散线试验系统图4动态焦散线实验系统设备Fig4Theequipmentofdynamiccausticsexperimentalsystem1.2.1位移计算方法根据光学和力学的分析，将焦散线的几何参数与裂纹端部奇异应力场的力学参数联系起来，通过测量焦散线的几何形状，求出相关力学参量。通过高速摄影仪拍摄的照片可以测得裂纹端部的瞬时位置，将照片与实物进行比例换算，得到裂纹尖端的的瞬时位移，即裂纹扩展的位移曲线。1.2.2扩展速度计算方法相邻两幅照片裂纹位移的差值，除以两幅照片的时间间隔，得到某时刻裂纹扩展的速度，以此画出裂纹扩展过程中的速度曲线。1.2.3应力强度因子计算方法反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子，应力强度因子与焦散斑的直径有着直接的联系，焦散斑直径越大，裂纹尖端的应力场奇异性越强，积聚的能量越多，应力强度因子就越大。同时，应力强度因子还与构件几何尺寸、裂纹大小以及外应力等条件有关。通过对某时刻照片上裂纹端部焦散斑特征长度的测量和计算，得到相应时刻的动态应力强度因子IK值，以此得到应力强度因子IK值随时间的变化曲线。爆炸应力场中的应力波主要以膨胀波与剪切波两种形式传播，由于两波的共同作用，在试件中的任意一点处产生应力场均为复合型，对于动态焦散线实验方法，参考相关的资料[20]，可以测量焦散斑中的maxD值，可以确定复合型扩展裂纹尖端动态应力强度因子IK值为25maxmax233π220DdczvFIK式中：maxD为裂纹方向的焦散斑最大直径；0z为参考平面到物体平面的距离；C为材料的应力光学常数；d为试件的有效厚度，对于透明材料，板的有效厚度即为板的实际厚度；为应力强度因子比例系数；IK为动态载荷作用下，复合型扩展裂纹尖端的型动态应力强度因子；Fv为由裂纹扩展速度引起的修正因子，在具有实际意义的裂纹扩展速度下，其值约等于1。max为沿着动焦散线最大横向直径的校正因子。2试验结果与分析2.1实验现象描述(a)实验前(b)实验后图5实验前后对比图Fig.5Contrastfigurebeforeandafterexperiment图5为实验前后巷道模型变化现象的对比图。从图5（b）中可以看出，在爆破动荷载作用下，裂纹均出现与爆破中心贯通和扩展的现象，且对称位置处裂纹的扩展情况基本一致，并不完全相同，这是由于实验装药和杂质的分布不均、