王爽WANG Shuang；曾良ZENG Liang；唐春海TANG Chun-hai；蘇宇SU Yu；周泰安ZHOU Tai-an；張文龍ZHANG Wen-long

（①?gòu)V西大學(xué)，南寧 530004；②廣西工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，南寧 530600）

0 引言

巖石作為工程爆破中主要的爆破對(duì)象，研究其力學(xué)性能有利于為巖土爆破提供理論基礎(chǔ)；自然界中的巖石因其受地質(zhì)構(gòu)造、剝蝕風(fēng)化造成巖石力學(xué)性能有極大的改變，其中巖石地質(zhì)構(gòu)造能造成巖石裂縫，因此研究有巖石裂縫的巖石爆破對(duì)爆破研究有重要作用；基于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有以下研究：楊鑫、蒲傳金等利用有機(jī)玻璃模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究了距離爆源一定距離的單條人工裂縫對(duì)爆炸裂紋的影響、人工裂隙與炮孔中心虛線的不同度數(shù)對(duì)爆炸裂紋擴(kuò)展的影響、不同寬度的人工裂隙對(duì)單炮孔爆炸爆炸裂紋的影響以及含有不同充填物的人工裂隙對(duì)爆炸裂紋擴(kuò)展的影響[1-4]；劉際飛，璩世杰對(duì)巖石中不同角度的節(jié)理進(jìn)行研究得出不同角度的節(jié)理對(duì)應(yīng)力波、巖體中聲波速度有不同影響[5]。胡榮，朱哲明等通過(guò)含裂隙有機(jī)玻璃模型爆炸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂隙與炮孔方位對(duì)爆生裂紋分布有很大影響[6]。G．W．Ma等利用數(shù)值模擬的方法探討總結(jié)了爆炸裂紋擴(kuò)展與節(jié)理裂隙的相互作用的規(guī)律[7]。謝冰等研究了不同幾何特征裂隙對(duì)預(yù)裂爆破的影響[8]。萬(wàn)端瑩，朱哲明等做了爆炸荷載作用下兩平行人工裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，并通過(guò)autodyn模擬研究平行裂紋對(duì)爆炸主裂紋的影響[9]。

以上通過(guò)實(shí)驗(yàn)及模擬對(duì)爆炸裂紋的影響研究較為深入，但大多數(shù)僅考慮有一組節(jié)理的巖石對(duì)爆破的影響，而自然界中巖石的裂縫具有多樣性的特點(diǎn)，我們需要對(duì)多條及多條不同角度的裂縫對(duì)爆炸裂紋的影響。因此研究裂縫的數(shù)量及角度對(duì)爆炸裂紋的影響具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及步驟

H．P．Rommanith等研究表明動(dòng)載荷作用下有機(jī)玻璃的斷裂行為和巖石相似[10]，所以本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎糜袡C(jī)玻璃做為試驗(yàn)介質(zhì)。

1.1 兩組平行節(jié)理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

有機(jī)玻璃板尺寸為長(zhǎng)400mm×寬400mm×厚5mm；在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼虚g人工做出直徑Ф7mm的炮孔，再在炮孔一側(cè)劃出兩條寬度為5mm長(zhǎng)度為30mm的平行人工節(jié)理，為更好與自然中節(jié)理相似其兩端設(shè)置直徑5mm的半圓，以防爆炸時(shí)人工節(jié)理兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中，如圖1所示。其中△L為炮孔中心距離人工節(jié)理最近端的長(zhǎng)度，δ為兩條裂縫的距離，試驗(yàn)以△L=20mm、30mm、40mm，δ分別為10mm、20mm。

1.2 兩組有角度節(jié)理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

有機(jī)玻璃板尺寸為長(zhǎng)400mm×寬400mm×厚5mm；在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼虚g人工做出直徑Ф7mm的炮孔，再在炮孔一側(cè)劃出兩條寬度為5mm長(zhǎng)度為30mm成一定角度的人工節(jié)理，為更好與自然中節(jié)理相似其兩端設(shè)置直徑5mm的半圓，以防爆炸時(shí)人工節(jié)理兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中，如圖2所示。其中△L為炮孔中心距離人工裂縫最近端的長(zhǎng)度，θ為兩條裂縫的夾角，試驗(yàn)以△L=20mm、30mm、40mm，θ分別為45°、135°。

圖1兩組平行節(jié)理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2兩組有角度節(jié)理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為確保炮孔壁和人工節(jié)理壁面光滑且垂直薄板表面，兩組模型的有機(jī)玻璃板、炮孔和人工節(jié)理均采用激光加工。

1.3 試驗(yàn)步驟

①撕下有機(jī)玻璃保護(hù)膜，清理人工節(jié)理和炮孔，確保節(jié)理、炮孔內(nèi)無(wú)雜物；

②試驗(yàn)選用同批次、電阻值相近的數(shù)碼電子雷管，模型采用單發(fā)8號(hào)數(shù)碼電子爆炸加載；將雷管垂直于模型表面、主裝藥區(qū)同一位置對(duì)準(zhǔn)模型后安放于炮孔內(nèi)；

③將玻璃兩側(cè)置于試驗(yàn)臺(tái)上，炮孔雷管正對(duì)處不得有阻擋以防爆生氣體、雷管金屬片反沖導(dǎo)致的玻璃傷裂；

④爆炸后回收模型并分析試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

兩組實(shí)驗(yàn)爆炸后有機(jī)玻璃模型如圖3所示。在分析前給出如下定義；沿炮孔徑向擴(kuò)展、長(zhǎng)度小于10m的裂紋稱為短裂紋，長(zhǎng)度在10-20mm之間的裂紋稱為中裂紋，20mm以上的裂紋稱為長(zhǎng)裂紋；人工裂隙端部產(chǎn)生的爆炸裂紋稱為翼裂紋。將與炮孔環(huán)向平行的裂紋稱為環(huán)向裂紋，有節(jié)理的一側(cè)劃分為Y區(qū)，無(wú)節(jié)理的一側(cè)為N區(qū)。以下將10mm、20mm平行間隔裂縫組分別稱為10mm組，20mm組；角度為45°、135°兩組節(jié)理分別稱為45°組、135°組。

2.1 爆炸區(qū)域劃分

在巖石中爆炸時(shí)會(huì)形成以炸藥為中心的由近及遠(yuǎn)的不同破壞區(qū)域，分別稱為粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動(dòng)區(qū)[10]。由圖3可知，試驗(yàn)中這三個(gè)區(qū)的分界較明顯，粉碎區(qū)表現(xiàn)為空腔，裂隙區(qū)表現(xiàn)為不同長(zhǎng)度的裂紋，彈性振動(dòng)區(qū)表現(xiàn)為玻璃未發(fā)生破壞，各區(qū)的范圍經(jīng)測(cè)量為：空腔區(qū)直徑為27、28mm，為炮孔直徑（7mm）的四倍左右，這與理論分析的一致。裂隙區(qū)最長(zhǎng)裂隙為26-68mm，加上空腔區(qū)，裂隙區(qū)范圍為53-96mm，為炮孔直徑的7.6-13.7倍，注意到是裂隙區(qū)可以分為兩個(gè)區(qū)域，其破壞特點(diǎn)也有明顯區(qū)別，在靠近空腔的區(qū)域（較?。嬖谳^多的徑向裂隙和環(huán)向裂隙，使得這個(gè)區(qū)域破碎較嚴(yán)重，而在該區(qū)域以外，則幾乎沒(méi)有環(huán)向裂隙。分析其原因，徑向裂隙的形成是由于徑向壓縮，產(chǎn)生了切向拉伸的應(yīng)變，這種切向拉伸的應(yīng)變大大超過(guò)了有機(jī)玻璃的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生了徑向裂隙；而環(huán)向裂隙則是由于卸載引起的，壓縮波作用下，巖石儲(chǔ)存部分彈性變形能，壓縮波過(guò)后，巖石中的壓應(yīng)力解除（卸載），由于巖石具有彈性，彈性變形能釋放，引起巖石向心（藥包）運(yùn)動(dòng)，此為拉應(yīng)變，在此作用下，巖石中形成環(huán)向裂隙。由于本次實(shí)驗(yàn)中，炮孔沒(méi)有填塞，爆轟氣體膨脹作用少，所以環(huán)向裂隙僅出現(xiàn)在靠近空腔的較小區(qū)域內(nèi)（寬約4-5mm）；如圖4。

圖4爆炸裂紋分布情況

2.2 爆炸裂紋分析

2.2.1 裂紋數(shù)量特征

總數(shù)量如圖5所示，由圖可知，裂紋數(shù)量在20-35條之間，10mm組的裂紋總數(shù)隨△L的增大先增后減，裂紋總數(shù)最大值在△L=30mm處，20mm組的裂紋總數(shù)隨△L的增大而減少。

45°組裂紋數(shù)隨△L的增大先增后減，裂紋總數(shù)最大值在△L=20mm處，135°組裂紋總數(shù)隨△L的增大而增多。

10mm組中隨△L的增加N區(qū)短裂紋增多（見(jiàn)圖6），而Y區(qū)短裂紋減少（見(jiàn)圖7），中短裂紋主要集中在N區(qū)，長(zhǎng)裂紋主要集中在N區(qū)。

圖6 N區(qū)裂紋數(shù)量

圖7 Y區(qū)裂紋數(shù)量

從以上特征可知，裂紋總數(shù)量與兩組節(jié)理的角度及節(jié)理距炮孔中心的距離有較大聯(lián)系，N區(qū)裂紋數(shù)量總數(shù)上比Y區(qū)多，因理論上球形爆炸在各個(gè)方向的能量是一樣的，實(shí)驗(yàn)中，雷管僅部分在有機(jī)玻璃炮孔中且有機(jī)玻璃很薄可以看作雷管在有機(jī)玻璃的各個(gè)方向傳播的能量一樣，在節(jié)理距離炮孔較近，爆炸能量傳播到節(jié)理端點(diǎn)時(shí)因節(jié)理的存在其抗拉強(qiáng)度變低，開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，能量降低，因爆炸能量部分作用于節(jié)理尖端，所以作用于節(jié)理方向近處玻璃的能量有所降低，因而裂紋數(shù)量較少。

圖3各組試驗(yàn)結(jié)果圖

圖5裂紋總數(shù)量

2.2.2 裂紋擴(kuò)展分析

試驗(yàn)中，兩條平行節(jié)理與爆炸應(yīng)力波方向基本平行；兩條成角度的節(jié)理對(duì)爆炸應(yīng)力波放射較小所以基本不存在層裂裂紋。這與蒲川金、楊鑫實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論一致[1]。

試驗(yàn)中兩組成角度節(jié)理的兩端產(chǎn)生翼裂紋。分析其原因翼裂紋在節(jié)理端部產(chǎn)生，由于應(yīng)力波在節(jié)理處反射以或沿著節(jié)理傳播，在節(jié)理端部?jī)蓚?cè)的應(yīng)力波相交，并在節(jié)理端部形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)玻璃的最大拉應(yīng)力時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生翼裂紋；由表1可知，10mm組、20mm組翼裂紋的數(shù)量為2，45°組數(shù)量有3、4組，135°組有2、3、4組，因而平行節(jié)理對(duì)翼裂紋的數(shù)量影響不大，有角度的節(jié)理對(duì)翼裂紋的數(shù)量影響大，能增加翼裂紋的數(shù)量并有節(jié)理相互交叉角度較小時(shí)，翼裂紋數(shù)量更多，翼裂紋的長(zhǎng)度隨節(jié)理距炮孔中心距離的增加而減少，在△L=40mm時(shí)裂紋長(zhǎng)度急劇減少。δ對(duì)翼裂紋的長(zhǎng)度影響不明顯，翼裂紋的長(zhǎng)度在近處有隨△L增大而增長(zhǎng)的的趨勢(shì)，在遠(yuǎn)處隨△L的變化不明顯。

有機(jī)玻璃中長(zhǎng)裂紋主要集中在N區(qū)，因N區(qū)無(wú)節(jié)理，爆炸應(yīng)力波在無(wú)節(jié)理側(cè)傳播沒(méi)有收到節(jié)理阻擋反射。平行組中最長(zhǎng)裂紋隨節(jié)理與炮孔中心的距離減少而增長(zhǎng)隨節(jié)理的距離大小無(wú)明顯變化，可以看到在節(jié)理方向，幾乎沒(méi)有徑向裂紋，只有空腔和環(huán)向裂縫并在裂縫端點(diǎn)產(chǎn)生翼裂紋，因?yàn)榱芽p會(huì)對(duì)應(yīng)力波產(chǎn)生反射，部分應(yīng)力波被反射回來(lái)，另一部分成為繞射波，與直接作用于端點(diǎn)的壓縮波共同作用使端點(diǎn)處產(chǎn)生了裂紋，當(dāng)合應(yīng)力小于有機(jī)玻璃開(kāi)裂強(qiáng)度時(shí)，裂紋停止擴(kuò)展。

表1裂紋特征表

3 結(jié)論

①炸藥爆炸后，在小區(qū)域范圍內(nèi)形成爆炸空腔，形成裂隙范圍可達(dá)炮孔半徑的7.6-13.6倍。

②兩組平行節(jié)理的相互距離以及兩組節(jié)理與炮孔中心的距離大小對(duì)裂紋總數(shù)無(wú)明顯影響，對(duì)分區(qū)的有人工節(jié)理與無(wú)人工節(jié)理區(qū)域的裂紋數(shù)量影響較大；翼裂紋是爆炸應(yīng)力波沿人工節(jié)理繞射形成繞射波作用產(chǎn)生的，兩組人工節(jié)理的相互角度對(duì)翼裂紋的總數(shù)量無(wú)明顯影響，翼裂紋的長(zhǎng)度與節(jié)理距炮孔中心的距離、節(jié)理的相互角度有關(guān)。

③試驗(yàn)中，模擬了兩組節(jié)理對(duì)爆炸巖石的影響，對(duì)有兩組節(jié)理的巖石工程爆破有一定參考價(jià)值，但試驗(yàn)中節(jié)理裂縫無(wú)填塞物試驗(yàn)不考慮節(jié)理裂隙中填塞物對(duì)爆炸應(yīng)力波的影響。