楊林兵，李玉能,2，張少秋，朱杰超,2，蒲恒強,2

(1.貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司， 貴州 貴陽 550002； 2.貴州貴安新聯(lián)爆破工程有限公司，貴州 貴陽 550000； 3.浙江京安爆破工程有限公司， 浙江 杭州 310000)

預(yù)裂孔間距的試驗研究及數(shù)值模擬

楊林兵1，李玉能1,2，張少秋3，朱杰超1,2，蒲恒強1,2

(1.貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司， 貴州 貴陽 550002； 2.貴州貴安新聯(lián)爆破工程有限公司，貴州 貴陽 550000； 3.浙江京安爆破工程有限公司， 浙江 杭州 310000)

通過模型試驗與有限元程序ABAQUS/Explicit建立混凝土材料模型對不同預(yù)裂孔間距條件下的預(yù)裂縫形成過程進行了模擬，兩種研究方法得到的結(jié)果一致表明：孔間距在炮孔直徑的11～13倍之間時，預(yù)裂爆破成縫效果最佳，為類似實際工程設(shè)計提供了理論依據(jù)。

預(yù)裂爆破；孔間距；模型試驗；ABAQUS/Explicit；成縫效果

隨著爆破技術(shù)要求的不斷提高，預(yù)裂爆破得到快速發(fā)展，在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用也較為成熟[1-13]。但實際生產(chǎn)中預(yù)裂爆破的參數(shù)設(shè)計一般依賴于工程類比、經(jīng)驗公式以及現(xiàn)場試驗等方法[8-9]，缺乏正確的理論指導(dǎo)。目前，該類問題已經(jīng)引起廣大學者的重視。其中，李彬峰[10]和陳慶凱[11]等對預(yù)裂縫的形成機理和預(yù)裂爆破參數(shù)的設(shè)計方法進行了研究和探討。張修玉、陳財偉、王樂、謝冰、王建國[1，4，17，12-13]等通過數(shù)值分析研究了孔間距、聚能效應(yīng)、節(jié)理幾何特征等對預(yù)裂爆破效果的影響，為預(yù)裂爆破理論研究和參數(shù)的合理確定提供了一條有效途徑。本文在現(xiàn)有學者研究的基礎(chǔ)上，利用模型試驗和有限元軟件ABAQUS對不同預(yù)裂孔間距條件下的預(yù)裂爆破進行研究，試圖得出最佳的預(yù)裂爆破參數(shù)。

1 模型試驗

為了考察預(yù)裂孔間距對預(yù)裂爆破成縫效果的影響，在模型試驗中將預(yù)裂孔間距設(shè)置為單一變量進行分組討論，根據(jù)文獻[14]，在預(yù)裂爆破施工中，當預(yù)裂孔間距是預(yù)裂孔直徑的9～15倍時，爆破效果最好[1]。因此，模型試驗將考察預(yù)裂孔間距為預(yù)裂孔直徑的9，11，13，15倍4種情況下的成縫效果，找出最佳預(yù)裂孔間距。

1.1 試驗方案

模型試塊長寬高尺寸為600 mm×600 mm×120 mm，模型炮孔直徑為10 mm，炮孔布置及模型試塊如圖1所示。本組試驗通過改變預(yù)裂孔間距共設(shè)置4塊模型，單孔使用單發(fā)8#雷管進行試驗，外徑為6.5 mm，不耦合系數(shù)為1.54。模型試驗參數(shù)見表1。

圖1 模型尺寸

表1 模型試驗參數(shù)

1.2 試驗分析

4塊試驗?zāi)Ｐ推鸨Y(jié)束后，前3塊模型都沿炮孔連線方向形成了貫穿裂隙，第4塊模型由于炮孔間距較大，并未形成貫穿裂隙，試驗結(jié)果見圖2。

由圖2(a)可以看出，模型1中由爆破產(chǎn)生的裂隙貫穿至模型的兩邊，兩炮孔間的裂隙貫穿效果較好，并且在炮孔連心線與裂隙面相交的位置相遇，左側(cè)裂隙垂直貫穿至模型邊緣，而右側(cè)裂隙在貫穿至模型邊緣時發(fā)生了偏離，偏離角度在邊緣位置處達到約45°。表面裂隙不是很明顯，從側(cè)面觀察發(fā)現(xiàn)試塊板的中部裂隙較為明顯，中間炮孔部位有嚴重損壞的跡象。圖2(b)為模型2的爆破效果，模型直接沿炮孔連心線方向分離為兩塊，裂隙形態(tài)十分明顯，裂隙在貫穿至模型邊緣時偏離角度比較少，左側(cè)裂隙在邊緣處偏離角度小于10°，右側(cè)裂隙在三分之二位置處雖有偏離，但在模型邊緣仍垂直貫穿，炮孔間裂隙的貫穿也比較明顯。圖2(c)為模型3的爆破效果，裂隙已貫穿至模型的兩側(cè)，但兩側(cè)裂隙均有偏離，左側(cè)偏離角度較小，在10°以內(nèi)，右側(cè)裂隙偏離角度較大，達到19°之多。兩炮孔間的裂隙貫穿效果較差，右側(cè)裂隙并未垂直到達裂隙面。圖2(d)為模型4的爆破效果，爆破產(chǎn)生的裂隙已貫穿至模型兩側(cè)的邊緣，但是表面裂隙不明顯，在邊緣處都發(fā)生了偏離，左側(cè)裂隙偏離角度在15°左右，右側(cè)裂隙偏離角度在30°左右。兩炮孔間的裂隙雖貫穿至原有裂隙面，但并未在炮孔連線上相遇，存在少許偏離。

圖2爆破效果

從4塊試驗?zāi)Ｐ偷谋菩Ч麃砜矗óa(chǎn)生后，將在炮孔周圍產(chǎn)生壓碎區(qū)；由于爆生氣體的氣楔作用，將使裂隙沿著最小抵抗線方向擴展；同時由于介質(zhì)內(nèi)部的缺陷以及材料分布的不均勻，裂隙在擴展過程中將會發(fā)生偏離。綜上所述：若要使兩炮孔間形成良好的貫穿裂隙，預(yù)裂孔間距不宜過大也不宜過小，孔間距較小炮孔周圍會過度破碎，能量損失較大，不宜裂隙貫穿，孔間距較大不宜裂隙的產(chǎn)生，并且裂隙會偏離連心線方向。因此，最佳的預(yù)裂孔間距為炮孔直徑的11～13倍。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

計算模型按照試驗?zāi)Ｐ偷某叽鐏韯?chuàng)建，模型大小長高寬為0.6 m×0.6 m×0.12 m，模型中設(shè)置3個炮孔，炮孔直徑為1 cm，間距分為9，11，13，15 cm 4組，采用C3D8R單元類型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為0.01 m，單元數(shù)41240個，網(wǎng)格劃分見圖3。模型約束為底側(cè)采用垂直約束，荷載為沖擊波荷載，藥量設(shè)置每孔TNT當量為0.9 g，主要分析相鄰炮孔之間起爆后能否形成光面以及圍巖的應(yīng)力變化。開裂模型選用脆性開裂模型Brittle Cracking，材料密度為2320 kg/m3，彈性模量為25 GPa，泊松比為0.3。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2.2 計算結(jié)果分析

模擬過程是3炮孔同時加載，模擬總時間為1 ms，應(yīng)力結(jié)果見圖4～圖7。

從圖4～圖7可以看出，裂隙首先從炮孔向外擴展，由于相鄰炮孔間應(yīng)力波的疊加作用，使裂隙優(yōu)先在兩炮孔間貫穿，這與試驗中的爆破效果一致。對比幾組不同間距的模擬效果圖，發(fā)現(xiàn)在炮孔直徑相同的情況下，炮孔間距越小，成縫越容易。但是孔距較小時，炮孔破壞較為嚴重；孔距較大時，成縫效果不理想，因為炮孔間裂隙貫穿較慢，致使孔腔內(nèi)的爆生氣體無法流出，對炮孔附近產(chǎn)生較大的壓力，造成了一定的破壞；本次模擬中發(fā)現(xiàn)：炮孔間距為炮孔直徑的11～13倍左右最為合適。

圖4 孔距9 cm t=1 ms時的應(yīng)力云圖

圖5 孔距11 cm時的應(yīng)力云圖

圖6 孔距13 cm時的應(yīng)力云圖

圖7 孔距15 cm t=1 ms時的應(yīng)力云圖

3 工程應(yīng)用

貴州某城市地鐵建設(shè)明挖路段需要運用預(yù)裂爆破隔離主爆區(qū)與邊坡，以防止主爆區(qū)爆破損壞邊坡。爆區(qū)巖石級別為Ⅱ類，堅固性系數(shù)f=10～12，密度為2.46 kg/m3，彈性模量為30.56 GPa，泊松比為0.25?，F(xiàn)場采用液壓潛孔鉆機，鉆孔直徑為90 mm，炮孔角度與邊坡一致，預(yù)裂孔間距1.1 m(炮孔直徑的12.2倍)，其他相關(guān)參數(shù)按照《爆破手冊》[14]設(shè)計施工。爆破成縫效果較好，開挖后邊坡未受損壞(見圖8)。

圖8 現(xiàn)場施工效果

4 結(jié) 論

通過模型試驗和數(shù)值模擬研究了不同預(yù)裂孔間距條件下的成縫效果，并結(jié)合實際工程應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

(1) 預(yù)裂爆破預(yù)裂孔間距不宜太小也不宜太大，無論是模型試驗還是數(shù)值模擬研究結(jié)果都表明：預(yù)裂孔間距為預(yù)裂孔直徑的11～13倍時，預(yù)裂縫成縫效果最佳。

(2) 實際工程應(yīng)用證明ABAUQS中Brittle Cracking脆性開裂模型能夠較好的模擬預(yù)裂爆破孔之間的成縫情況，可為類似項目設(shè)計提供良好的理論依據(jù)。

(3) 本文只針對預(yù)裂孔間距的大小對預(yù)裂爆破成縫效果影響進行研究，并沒有考慮不耦合系數(shù)、裝藥密度等參數(shù)對預(yù)裂爆破成縫效果的影響。

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2017-06-23)

楊林兵(1988-)，男，助理工程師，從事爆破技術(shù)研究工作，Email：602574716@qq.com。