动静荷载下巷道围岩倾斜裂纹扩展规律的模型试验

文章编号：动静荷载下巷道围岩倾斜裂纹的动焦散试验郭东明1,2，闫鹏洋1，杨仁树1,2，袁保森1，周宝威1(1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083；2.中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083)摘要：为了对研究动静荷载耦合作用下巷道围岩不同倾角裂纹的扩展规律，利用爆炸加载动态焦散线测试系统，采用PMMA材料加工模型试件，进行裂纹扩展规律的动焦散试验研究，研究结果表明，裂纹b端在应力波作用下起裂，扩展轨迹出现翘曲变化的现象，大体上沿水平方向扩展;裂纹b端扩展位移随倾角θ的变化呈现增大和减小交替变化的规律，在-45°～45°内，角度变化的位移曲线基本关于直线θ=0°对称，在-75°～-45°和45°～75°内，位移曲线并不对称，有较大差别，这是由巷道模型上下部分形状的差异引起爆轰波能量的不同造成的;角度变化的位移曲线在θ=-45°、θ=0°和θ=60°时，达到峰值，分别为22mm、31mm、36mm，在θ=±30°时，达到低谷值9mm和11mm;应力强度因子dK变化曲线和能量释放率G变化曲线有相似变化规律，均先达到峰值，后反复振荡变化多次出现峰值;dK值和G值与能量紧密相关，当曲线值整体水平较高时，相应裂纹扩展位移较大，反之，裂纹扩展位移较小。关键词：动静荷载；裂纹倾角；动态焦散线；应力强度因子；能量释放率中图分类号：文献标识码：Dynamiccausticstestonthepropagationlawoftheinclindcracksinroadwaysurroundingrocksubjectedtostatic-dynamicloadGUODong-ming1,2,YANPeng-yang1,YANGRen-shu1,2,YUANBao-sen1,ZHOUBao-wei1(1.SchoolofMechanicsandArchitectureEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryofGeomechanics&DeepUndergroundEngineering,China收稿日期：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（NECT-12-0965）；国家自然科学基金-煤炭联合基金类项目（51134025）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的教学和研究工作。E-mail:[e-mail]:15652938237UniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)Abstract:Inordertoinvestigatetheextensionregularityofcrackswithdifferentangleθinroadwaysurroundingrocksubjectedtostatic-dynamicload，thetransmittedcausticsexperimentalsystemisusedtoconductthedynamiccausticsresearchaboutthepropagationlawofcracksandthepolymethylmethacrylate（PMMA）platesareemployedtomakemodelspecimens.Theresultsshowthat：（1）thebendpointofthecrackspropagateundertheactionofthestresswaveandgenerallyextendalongthehorizontaldirectionwithaphenomenonofwarpingseenfromthecrackpropagationpath；（2）Astheangleθchanging,theextensiondisplacementofbendpointhastheruleofvariationbetweenincreasinganddecreasing，andfrom-45°to45°thedisplacementchangecurveofcrackextensionastheangleisgenerallysymmetricalaboutthelineθ=0°，butithasaapparentdifferencefrom-75°to-45°and45°to75°，whichisinducedbythedifferentenergyofdiffractedwaveproducedbythemodelshapedifferencebetweenupperandlowerpartoftheroadway；（3）Whenθ=-45°、θ=0°andθ=60°thedisplacementchangecurveofcrackextensionastheanglereachesthepeakvalue22mm，31mmand36mmrespectively，butreachesthelowvalueof9mmand11mmwhenθ=±30°；（4）Thechangecurveofstressintensityfactor1dKandchangecurveofenergyreleaserateGhaveasimilartrend，bothapeakfirst,thentherepeatedoscillationchangeswithpeakvalueseveraltimes；（5）Thevalueofstressintensityfactorandenergyreleaseratearecloselyrelatedtoenergy，thedisplacementofcorrespondingcrackislargerwhenthecurvevaluesbothhaveahigherlevel，thedisplacementofcrackisrelativelysmallconversely.Keywords:static-dynamicload；crackangle；dynamiccaustics；stressintensityfactor；energyreleaserate爆破方法广泛应用于深部巷道的开挖，而爆破造成的振动易使围岩失稳，同时岩体得开挖会打破围岩的应力平衡状态，诱发地质灾害的发生。深部岩体的失稳及破坏受地应力[1]和爆破振动的共同影响，与地应力状态密切相关[2]。迄今为止，众多学者对其破坏机理进行了探索和研究，取得了丰硕的成果[3~5]。研究表明[6]，围岩的强度和稳定性与不连续面的力学特性和分布状况息息相关，围岩的破坏大都是由不连续面（宏观或微观）的破坏或扩展贯通形成的。对深部巷道岩体的破坏机理有正确和清晰的认识，就必须对围岩不连续面的破坏机理有进一步的认识，许多学者对此进行了相关研究。白世伟和李银平等[7,8]在模型材料中预制裂纹，研究了平面应力条件下断续节理岩体裂纹的扩展规律和岩体的破坏机理；周小平、李建林和李术才等[9~11]运用数学处理的方法，对岩体缺陷扩展机理进行了理论上的分析研究；朱万成等[12,13]通过数值模拟软件对岩石的动态破坏机理进行了模拟研究。爆破动荷载下岩体的断裂力学行为较为复杂，很难用数学解析的方法对其加以解释，因而实验断裂力学为研究岩体动态断裂力学行为提供了重要手段和方法。焦散线法适用于冲击、爆破等超动态断裂方面的研究，杨仁树等建立了爆炸加载焦散线实验系统，用来研究爆炸应力下岩石裂纹的扩展规律，并将焦散线法推广用于超动态加载下岩体断裂力学方面的研究，得到了众多研究成果[14~16]。之后，郭东明[17~19]建立了含有巷道模型和预制裂纹的新型试验模型，研究了爆破开挖对邻近巷道背爆侧裂纹的影响，得到了背爆侧裂纹的扩展规律和机理，研究成果对邻近巷道背爆侧经济安全的合理支护提供了理论依据。尽管人们对深部岩石的动力特性、力学性质、破坏机制等方面进行了大量相关研究，其研究成果对施工现场具有重要指导意义，但通过数学方法或物理模型对围岩裂纹扩展规律进行的相关研究，仅单一的研究静荷载或动荷载作用下岩体裂纹的扩展规律[20]，其研究成果用于施工现场指导的可行性具有较大的局限性，而就两者共同作用下围岩缺陷扩展规律的物理模型试验研究，相关参考文献较少[3,4]。本文拟建立实验室物理模型，采用数字激光动态焦散线实验系统[21]，对巷道围岩缺陷在地应力和爆破动荷载耦合作用下不同倾角隐形裂纹的扩展规律进行研究，探究倾角变化对围岩裂纹缺陷动态扩展的影响，研究有助于进一步认识岩体破坏的机理，对围岩破坏规律的研究和围岩稳定性分析[22,23]有重要指导意义。1实验模型的建立与焦散线原理1.1实验模型的建立试件的材质选用透明的有机玻璃（PMMA）,有机玻璃具有较高的光学各向同性及焦散光学常数c，有利于焦散曲线的形成和焦散图像的分析，有机玻璃相关动态力学参数见表1。表1有机玻璃的动态力学参数Table1DynamicmechanicalparametersofPMMAspecimen纵波波速1(ms)PC横波波速1(ms)SC动态弹性模量2(N)dEm动态泊松比dv动态应力光学常数21(m)tCN232012606.1×1090.310.8×10-10试验板件的试件规格为300mm×300mm×10mm，用机械设备在试件中心加工5mm深的直墙拱形巷道模型，巷道模型宽40mm，直墙高20mm，中心炮孔直径为6mm，圆弧半径为20mm。施工现场巷道围岩中，裂纹缺陷的长度、方位角均是随机的，模型试验中很难做到全面考虑，仅考虑了一条裂纹，更多情况将在后续研究中进一步研究。前期探究性试验中，对比不同长度预制裂纹的扩展现象，同时考虑到预制裂纹长度相对于巷道模型尺寸而言不易太长，最终选择5mm长的预制裂纹。为了便于分析研究，裂纹的倾角选用对称角度，分别为-75°、-60°、-45°、-30°、0°、30°、45°、60°、75°。为了保证隐性裂纹在静荷载和爆炸动荷载作用下能够起裂扩展，将裂纹预制在直墙与圆弧的交接处，裂纹左端距离边界模型2mm，裂纹近端与炮孔中心连线与试件上下边界平行，厚度为10mm。详见表2，在模型图中展示θ=-45°、θ=0°、θ=45°时的部分实验模型，如图1所示。θ=-45°θ=0°θ=45°图1部分模型示意图Fig.1Thediagramforpartofthemodels为了保证预制裂纹所受的应力场与施工现场的围岩缺陷所受应力场无实质性的差别，使得试验结果具有现场指导的可行性，故通过爆炸荷载和围压的耦合作用给预制裂纹提供应力场。炸药爆炸产生应力波与围压作用下的预制裂纹相互作用，来模拟深部巷道围岩中爆炸应力波的传播，以及诱发裂纹扩展造成围岩损伤的过程。实验用药为叠氮化铅单质炸药，为了保证裂纹扩展现象明显，便于试验分析，选择单孔装药量为190mg。通过空气压缩机和气缸对试件四周夹具施加压力，来模拟深部巷道围压，在试验探究过程中发现当试件围压超过0.7Mpa时，有机玻璃试件开始发生较大变形，裂纹端部产生较大的应力集中，影响试验过程中数据的记录精度和试验结果。为了确保数据精度和试验结果的可靠性，本文试验中选用0.7Mpa的围压条件。表2裂纹参数Table2TheParametersofcracks1.2焦散线原理一束平行的单色光垂直照射在含裂纹的透明试件表面，当受载试件局部应力发生变化时，其光学性质也随之变化。受泊松效应影响，试件受到拉应力时厚度减小，变为光疏材料，折射率减小，受到压应力时情况相反。裂纹端部极易出现应力集中现象，端部近区材料的厚度和折射率减小，形成光疏区，同时在光疏区外围，材料