蔣婉筱 吳愛軍 王永強(qiáng) 吳大偉 金 超

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

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含不同形狀單孔的靜態(tài)定向破巖機(jī)理及技術(shù)研究★

蔣婉筱 吳愛軍 王永強(qiáng) 吳大偉 金 超

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

利用混凝土易于造孔的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了含不同長(zhǎng)短軸(寬)比橢圓、矩形預(yù)埋孔試塊，得到長(zhǎng)短軸比在2∶1～3∶1和長(zhǎng)寬比在3∶1～5∶1時(shí)，定向開裂效果最好，并運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行了模擬分析，結(jié)論與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

靜態(tài)定向開裂，裂紋，靜態(tài)爆破，橢圓孔，矩形孔

近年來，靜態(tài)破碎法發(fā)展成為一種新型的“爆破”施工技術(shù)，與炸藥爆破方法相比較，具有無振動(dòng)、無飛石、無沖擊波、無噪聲、無毒性氣體污染等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，并且郭瑞平、王玉杰等對(duì)靜態(tài)破碎劑的材料特性和膨脹機(jī)理進(jìn)行了深入研究[1,2]。唐烈先、郝兵元、桂良玉等[3-5]采用在孔中插入鋼板、切槽孔等方法來研究導(dǎo)向作用。而在工程實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)圓形孔裝藥后裂紋有3條～4條，裂紋的擴(kuò)展方向難以控制，而對(duì)于非圓形孔，如橢圓、矩形、菱形等不同形狀的孔，裝藥后的裂紋擴(kuò)展規(guī)律鮮有報(bào)道。為此本文通過理論與實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等不同手段和方法，探索一個(gè)最優(yōu)的矩形的長(zhǎng)寬比、橢圓的長(zhǎng)短軸比。

1 巖石靜態(tài)定向開裂基本力學(xué)理論

兩種形狀裝藥孔的巖石周圍應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算模型，并對(duì)其進(jìn)行分析。

1.1 矩形孔

將含矩形孔的無限域映射到單位圓內(nèi)的映射函數(shù)可采用如下的近似形式[6]：

(1)

其中，β1，β3，…與矩形孔的邊長(zhǎng)比有關(guān)；c為常數(shù)，c=reiα,與矩形孔的大小和方位有關(guān)。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]含矩形孔無限域應(yīng)力集中的系列分析中，承受均勻內(nèi)壓時(shí)孔邊應(yīng)力的變化曲線可以看出，不同長(zhǎng)寬比的矩形，會(huì)引起在尖角處應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中值達(dá)到了原膨脹力的3倍～5倍，并且隨著長(zhǎng)寬比的增大，四個(gè)尖角的應(yīng)力集中值方向之間的夾角在減小，定向性能在增強(qiáng)。

1.2 橢圓孔

1)當(dāng)長(zhǎng)短軸比為1∶1時(shí)，即為圓形孔。假設(shè)在無限大的彈性體內(nèi)有一圓孔，該孔半徑R，內(nèi)壁作用壓力q，此時(shí)任意半徑r處的徑向拉伸應(yīng)力σr、切向拉伸應(yīng)力σθ可按下式計(jì)算[5]：

(2)

可見圓形孔的應(yīng)力場(chǎng)在孔口周圍是均勻分布的，不存在具體位置的應(yīng)力集中。

2)當(dāng)長(zhǎng)短軸比不等于1∶1時(shí)，即為不同離心率的橢圓形狀。基于彈性力學(xué)知識(shí)[7]，得到橢圓孔口應(yīng)力為：

(3)

計(jì)算得到：長(zhǎng)短軸比為2∶1時(shí)其切向應(yīng)力的最大值為孔內(nèi)膨脹力的3倍，即為3q，3∶1時(shí)為5q，5∶1時(shí)為9q，比值越大，其應(yīng)力集中系數(shù)越高，且定向性能越強(qiáng)。

2 定向靜態(tài)開裂實(shí)驗(yàn)

根據(jù)幾何、力學(xué)條件的相似性原理，設(shè)計(jì)了兩種形狀孔，兩種巖體的靜態(tài)定向開裂實(shí)驗(yàn)。具體的幾何尺寸如表1所示。試驗(yàn)中采用C325配合比制備混凝土模型，按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)了28 d后，再進(jìn)行統(tǒng)一灌注破碎劑，因此在時(shí)間和溫度上，所有試塊都處于同樣條件，這樣避免一些不必要因素的干擾。

表1 物理模型幾何尺寸

本文中所用試驗(yàn)均采用的是北京宇翼特種水泥廠生產(chǎn)的“宇翼”牌高效無聲破碎劑HSCA-Ⅰ型，使用溫度范圍為25 ℃～35 ℃。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 含矩形孔混凝土試件靜態(tài)開裂實(shí)驗(yàn)與分析

對(duì)于正方體試塊，正方形截面孔呈現(xiàn)三條主裂紋形式開裂；矩形截面為2∶1時(shí)呈現(xiàn)出在尖角處都開裂的形式；矩形截面為3∶1時(shí)呈現(xiàn)兩條主裂紋，兩條次裂紋，次裂紋很小，有一定的導(dǎo)向作用。矩形截面為5∶1時(shí)呈現(xiàn)兩條主裂紋貫穿破壞整個(gè)試件，導(dǎo)向作用比較強(qiáng)。改變孔的長(zhǎng)寬比，也改變了膨脹力的分布，構(gòu)造的正交異性膨脹力，有利于裂紋沿最小主應(yīng)力的方向發(fā)展，裂紋能夠延伸到試件的端部，使試件產(chǎn)生劈裂破壞。

3.2 含圓形孔混凝土試件靜態(tài)開裂實(shí)驗(yàn)與分析

從試件靜態(tài)破碎的過程來看，對(duì)于圓形截面孔，不管試件形狀，基本呈現(xiàn)三條主裂紋的形式開展。因?yàn)閳A孔周圍應(yīng)力較為均勻分布，加上試塊材料的不均勻性，導(dǎo)致裂紋開裂的方向具有隨機(jī)性(見圖2)。

對(duì)于橢圓孔截面形狀的孔，試塊裂紋均從預(yù)留孔的長(zhǎng)軸尖端萌生，并且隨著時(shí)間的推移，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展并最終沿著垂直于最大拉應(yīng)力的方向呈現(xiàn)對(duì)稱性擴(kuò)展，導(dǎo)向作用很明顯。

相對(duì)于細(xì)長(zhǎng)型的矩形定向而言，橢圓定向效果要優(yōu)于矩形。直接原因?yàn)殚L(zhǎng)條形矩形尖端有四個(gè)，第一條裂紋起裂位置仍存在選擇性，也就是長(zhǎng)寬比越小，其定向效果越差。

4 裂紋定向擴(kuò)展規(guī)律的數(shù)值模擬

ANSYS提供了一種Solid65單元，專門用于模擬混凝土和巖石材料。設(shè)置混凝土的彈性模量為E=21 000 MPa，泊松比為0.2。為更好反映裂紋擴(kuò)展路徑，設(shè)置孔深為0.15 m，以便更好的劃分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，由于篇幅有限，僅列出代表性的圖(見圖3)。

對(duì)于圓柱體矩形截面孔，模擬結(jié)果與物理試驗(yàn)的裂紋擴(kuò)展結(jié)果基本一致，能很好的反映裂紋開裂的方向。對(duì)于立方體矩形截面孔，模擬結(jié)果就比較理想化，均是從尖角應(yīng)力集中處擴(kuò)展，與物理實(shí)驗(yàn)有一定的差異。如截面孔為1∶1時(shí)，模擬裂紋是從四個(gè)尖角應(yīng)力集中處擴(kuò)展，比較有規(guī)律性。而相對(duì)的物理實(shí)驗(yàn)，由于在澆筑混凝土試塊時(shí)，一些偶然因素，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的裂紋沒有很規(guī)則，但基本規(guī)律還是相同的。對(duì)于圓形截面孔，無論是圓柱體，還是立方體，其裂紋擴(kuò)展具有隨機(jī)性，裂紋條數(shù)在3條～4條。

對(duì)于橢圓截面孔試塊，隨著長(zhǎng)短軸比的增大，定向效果越來越好。軟件模擬了2∶1和3∶1兩種橢圓截面孔試塊，其結(jié)果基本上能夠較好地反映裂紋擴(kuò)展規(guī)律，與物理實(shí)驗(yàn)很好的切合，導(dǎo)向作用很明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)靜態(tài)破碎中裂紋擴(kuò)展難以控制的難題，利用斷裂力學(xué)、彈性力學(xué)等理論，自行設(shè)計(jì)并澆筑的混凝土試塊，對(duì)橢圓孔、矩形孔等兩種不同尺寸、不同形狀的模型的裂紋定向擴(kuò)展規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，初步得到以下結(jié)論：

1)通過一系列靜態(tài)破碎實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含橢圓形試件僅有一條沿著長(zhǎng)軸方向的裂紋，當(dāng)長(zhǎng)短軸比在2∶1～3∶1之間時(shí)定向開裂效果最好；當(dāng)為長(zhǎng)寬比為1∶1的正方形孔、長(zhǎng)寬比為2∶1的矩形時(shí)，一般情況下有4條裂紋沿著對(duì)角線擴(kuò)展；當(dāng)長(zhǎng)寬比在3∶1～5∶1時(shí)，定向開裂效果最好。

2)運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展與演化規(guī)律模擬，其結(jié)論與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

本研究探索出的主裂紋導(dǎo)向技術(shù)，在巖石、混凝土等脆性材料的局部破碎或者石材開采中，有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得進(jìn)一步深入研究和試用推廣。

[1] 郭瑞平,楊永琦.靜態(tài)破碎劑膨脹機(jī)理及可控性的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1994,19(5):478-485.

[2] 王玉杰.靜態(tài)破裂技術(shù)及機(jī)理研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

[3] 唐烈先，唐春安，胡 軍，等.混凝土靜態(tài)破碎主裂紋導(dǎo)向技術(shù)的試驗(yàn)研究[J].混凝土,2013,289(11):11-17.

[4] 楊仁樹,孫中輝,佟 強(qiáng),等.靜態(tài)破碎機(jī)膨脹作用下試樣裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究[J].工程爆破,2010,16(3):7-11.

[5] 桂良玉.靜態(tài)破碎劑破巖機(jī)理試驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2008.

[6] 楊麗紅,何蘊(yùn)增.含矩形孔無限域應(yīng)力集中的系列分析[J].應(yīng)用科技,2005(7):53-56.

[7] 徐芝綸.彈性力學(xué)[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★:四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：16zd1120)；西南科技大學(xué)博士研究基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：12zx7112)

蔣婉筱(1990- )，女，在讀碩士； 吳愛軍(1976- )，男，博士，副教授

TU457

A