節(jié)理對爆生裂紋擴(kuò)展影響的試驗研究

楊仁樹， 丁晨曦， 楊立云， 王雁冰， 許 鵬

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083； 2. 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點試驗室，北京 100083)

節(jié)理對爆生裂紋擴(kuò)展影響的試驗研究

楊仁樹1,2， 丁晨曦1， 楊立云1， 王雁冰1， 許 鵬1

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083； 2. 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點試驗室，北京 100083)

采用模型試驗方法，結(jié)合新型數(shù)字激光動態(tài)焦散線試驗系統(tǒng)，比較了不同炮孔與節(jié)理間距下節(jié)理處起裂的動態(tài)行為，研究了節(jié)理對爆生裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明，由于節(jié)理結(jié)構(gòu)的細(xì)觀差異，試件的破壞形態(tài)表現(xiàn)出多樣性。根據(jù)節(jié)理處起裂時段的差異，節(jié)理處起裂形式有2種，形式Ⅰ：在爆生裂紋擴(kuò)展至節(jié)理之后，節(jié)理處起裂并擴(kuò)展；該種起裂形式下，爆生裂紋對節(jié)理的直接作用是節(jié)理處起裂的主要原因，炮孔到節(jié)理的距離對節(jié)理處起裂裂紋的偏移距離影響不大。形式Ⅱ：在爆生裂紋擴(kuò)展至節(jié)理之前，節(jié)理處已經(jīng)起裂并擴(kuò)展；該種起裂形式下，爆炸應(yīng)力波對節(jié)理的作用是節(jié)理處起裂的主要原因。節(jié)理處裂紋的整體偏移范圍由這兩種起裂形式?jīng)Q定。試件的不同破壞形態(tài)在裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力特征上表現(xiàn)出差異性和復(fù)雜性。

模型試驗；動態(tài)焦散線；爆生裂紋；節(jié)理；起裂；應(yīng)力特征

工程斷裂控制爆破經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)階段已有很多比較成熟的技術(shù)手段。其中，切槽爆破和切縫藥包爆破分別通過改變炮孔形狀和裝藥結(jié)構(gòu)實現(xiàn)斷裂控制爆破，這些技術(shù)的應(yīng)用使得控制爆破在煤礦掘進(jìn)、隧道開挖等工程領(lǐng)域獲得了長足的發(fā)展。在煤礦礦井建設(shè)的長期工程實踐中，發(fā)現(xiàn)斷裂控制爆破在實施過程中會出現(xiàn)爆破效果不如預(yù)期的情況，如對含節(jié)理巖體實施控制爆破時，常常出現(xiàn)定向效果較差，破巖效果低下。工程巖體中節(jié)理的存在對爆生裂紋的擴(kuò)展有較大的阻礙，進(jìn)而降低斷裂控制爆破的定向破巖效果。這是爆炸動荷載下裂紋與節(jié)理作用的復(fù)雜性決定的，研究爆生裂紋與節(jié)理的作用機(jī)理具有一定的理論價值和工程意義。

對于含節(jié)理介質(zhì)在動、靜荷載的作用下的力學(xué)響應(yīng)的研究是一個值得深入探究的課題。近年來，很多學(xué)者就此從理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬等方面展開了的研究，并取得了很多有價值的結(jié)論和規(guī)律。其中，Li 等[1]通過理論計算研究了爆炸應(yīng)力波與節(jié)理的相互作用；Liu 等[2]通過計算分析得出了含節(jié)理巖體的動態(tài)本構(gòu)方程；張力民等[3]基于TCK本構(gòu)模型和Lemaitre等效應(yīng)變假設(shè)研究了應(yīng)變率與節(jié)理條數(shù)對巖體動態(tài)特性影響。Borbely等[4]利用3DEC離散元方法研究了不同節(jié)理類型對圍巖襯砌內(nèi)力特性的影響；朱亮等[5]利用UDEC離散元方法研究了含節(jié)理的柱狀巖體在爆破作用下的開裂過程。宋全杰等[6]通過現(xiàn)場試驗研究了層理對爆破振動傳播規(guī)律的影響；劉際飛等[7]通過實驗室試驗和現(xiàn)場試驗研究了節(jié)理的走向角度對爆炸應(yīng)力波傳播的影響；Sagong 等[8]綜合采用了試驗和數(shù)值模擬方法研究了雙軸壓應(yīng)力荷載下含不同傾角節(jié)理巖體的破壞行為。

可以發(fā)現(xiàn)，對于爆炸荷載下，關(guān)于節(jié)理對爆生裂紋擴(kuò)展影響的試驗研究并不多見，而其理論價值和工程意義卻不容忽視。基于此，本文采用基于動態(tài)焦散線[9]的模型試驗方法，研究節(jié)理對爆生裂紋擴(kuò)展的影響，嘗試揭示爆生裂紋與節(jié)理作用的內(nèi)在規(guī)律，為相關(guān)工程實踐提供理論參考。

1 試件參數(shù)與試驗系統(tǒng)

1.1 試件參數(shù)

由于巖石材料的脆性性質(zhì)，加工成型的難度很大，且?guī)r石材料為不透明介質(zhì)，與透射式焦散線方法相比，目前反射式焦散線方法還不夠成熟可靠，因此，難以直接采用巖石材料作為模型材料，進(jìn)而選取同為脆性材料，且易于加工成型的透明有機(jī)玻璃(PMMA)作為模型材料。選取有機(jī)玻璃作為研究爆炸、沖擊問題的模型材料由來已久，其良好的視場和有效性被諸多試驗文獻(xiàn)[10-13]所驗證。雖然有機(jī)玻璃和巖石材料的力學(xué)參數(shù)存在差異，但依然能夠客觀反映出節(jié)理對爆炸裂紋擴(kuò)展的影響。該試驗的有機(jī)玻璃模型試件的規(guī)格為300 mm×300 mm×5 mm，有機(jī)玻璃的主要動態(tài)力學(xué)參數(shù)[14]為:動態(tài)彈性模量Ed= 6.1 GPa，動態(tài)泊松比νd=0.33，動態(tài)應(yīng)力光學(xué)常數(shù)

圖1為模型試件示意圖，模型試件由兩塊材料質(zhì)

地相同的有機(jī)玻璃板拼接制作，制作過程為：將準(zhǔn)備好的兩塊有機(jī)玻璃板放在水平操作臺上，對齊拼接；在拼接縫隙處用注射器注入氯仿(三氯甲烷)；擠壓1 min左右即可牢固粘黏，接觸縫隙成為具有一定強(qiáng)度的節(jié)理；室溫下養(yǎng)護(hù)10 h左右，備用。試件上預(yù)制有切槽炮孔，炮孔直徑為 6 mm，切槽深度為1 mm。采用炮孔切槽的定向斷裂爆破設(shè)計是為了獲得與節(jié)理基本垂直的爆生裂紋，以便于試驗研究和分析。

采用敏感度較高的疊氮化鉛作為起爆藥，疊氮化鉛的爆熔308 L/kg，爆熱1 524 kJ/kg，爆溫3 050 ℃，爆速4 478 m/s。經(jīng)過調(diào)試，單孔裝藥量定為140 mg，在炮孔中放入探針，探針的另一端連入起爆器，利用起爆器發(fā)出的高壓脈沖使探針的尖端放電起爆。L表示炮孔(爆源)中心到節(jié)理的距離，根據(jù)L的不同，試驗所制備試件分為2組，分別為S-1組(L=30 mm)、S-2組(L=50 mm)，每組9個試件，共計18個。組內(nèi)試件的試驗結(jié)果可以形成橫向?qū)Ρ龋芯科茐男螒B(tài)與破壞類型；組間試件的試驗結(jié)果可以形成縱向?qū)Ρ龋芯颗诳椎焦?jié)理的距離L對爆生裂紋和節(jié)理作用的影響效應(yīng)。

圖1 試件示意圖(mm)Fig.1 Sketch map of test specimen (mm)

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗采用新型數(shù)字激光動態(tài)焦散線試驗系統(tǒng)[15]，圖2所示為該試驗系統(tǒng)光路圖；其中激光器產(chǎn)生的單色相干光束透過擴(kuò)束鏡后變?yōu)榘l(fā)散光，通過調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡與場鏡1之間的距離，使發(fā)散光通過場鏡1后變?yōu)槠叫泄?，平行光穿過試件后經(jīng)過場鏡2的匯聚進(jìn)入高速攝影儀的焦點處，試件上爆生裂紋與節(jié)理的作用過程被高速攝影儀記錄并導(dǎo)入電腦，實現(xiàn)試驗過程圖像的數(shù)字化采集。

圖3為試驗系統(tǒng)的部分設(shè)備，其中圖3(a)為激光器，激光器產(chǎn)生的單色激光束相干性好，不易受到干擾，為試驗提供了穩(wěn)定可靠的光源；圖3(b)為高速攝影儀，該試驗中相機(jī)的拍攝頻率設(shè)置為100 000 fps，即每秒鐘拍攝100 000幅照片，相鄰兩張照片之間的時間間隔為10 μs，實現(xiàn)對試驗過程的高頻記錄。

圖2 新型數(shù)字激光動態(tài)焦散線試驗系統(tǒng)光路圖Fig.2 Beam path diagram of DLDC

圖3 部分試驗設(shè)備Fig.3 Some of testing devices

2 試件破壞與分析

2.1 破壞形態(tài)

圖4為2組共18個試件爆后的破壞形態(tài)，由于切槽爆破的定向作用，起爆后的爆生主裂紋基本沿切槽方向(垂直于節(jié)理)擴(kuò)展，直至與節(jié)理相遇；爆生主裂紋與節(jié)理作用后的裂紋擴(kuò)展形態(tài)表現(xiàn)出較大的差異性。

(a) S-1組

(b) S-2組圖4 試件破壞形態(tài) Fig.4 Failure features of specimens

2.2 起裂形式

結(jié)合試件的破壞形態(tài)和高速攝影儀拍攝的照片，根據(jù)起裂的時段差異，節(jié)理處的起裂有2種典型形式。

形式Ⅰ：在爆生裂紋擴(kuò)展至節(jié)理后，節(jié)理處起裂并擴(kuò)展，多數(shù)試件在節(jié)理處的起裂為此種形式(圖5所示為試件S-2-4節(jié)理處起裂前后的焦散照片)。

形式Ⅱ：在爆生裂紋擴(kuò)展至節(jié)理前，節(jié)理處已經(jīng)起裂并擴(kuò)展，節(jié)理處的這種起裂形式較少，在進(jìn)行試驗的所有18個試件中，只有試件S-1-5和S-2-8是該種起裂形式(圖6所示為試件S-2-8節(jié)理處起裂前后的焦散照片)。

節(jié)理處起裂時段上的這種差異與節(jié)理細(xì)觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于起裂形式Ⅰ，起爆后，爆生裂紋開始擴(kuò)展，爆炸應(yīng)力波在節(jié)理處發(fā)生反射與透射，但節(jié)理處并未產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，推測節(jié)理處的結(jié)構(gòu)應(yīng)比較完整(無明顯裂隙和缺陷)，從而在爆生裂紋向節(jié)理擴(kuò)展過程階段中(這一階段節(jié)理受爆炸應(yīng)力波作用)未能起裂；直到爆生裂紋擴(kuò)展至節(jié)理，波阻抗和裂紋擴(kuò)展阻力發(fā)生突變，裂紋的擴(kuò)展勢必受到影響，節(jié)理受到爆生裂紋的直接作用并起裂。該起裂形式下，節(jié)理處起裂的時間相對較晚，經(jīng)過在節(jié)理、邊界處的多次透射和反射，應(yīng)力波能量基本衰減殆盡，因此爆生裂紋對節(jié)理的直接作用是節(jié)理處起裂的主要原因。

圖5 試件S-2-4節(jié)理處起裂前后焦散照片F(xiàn)ig.5 Caustic pictures of S-2-4 during crack initiation at the joint

圖6 試件S-2-8節(jié)理處起裂前后焦散照片F(xiàn)ig.6 Caustic pictures of S-2-8 during crack initiation at the joint

對于起裂形式Ⅱ，節(jié)理處應(yīng)當(dāng)含有較為明顯的細(xì)觀缺陷，起爆后，在應(yīng)力波作用下，缺陷發(fā)生應(yīng)力集中，當(dāng)節(jié)理處缺陷的應(yīng)力強(qiáng)度因子超過斷裂韌度時即起裂并擴(kuò)展。該起裂形式下，節(jié)理處起裂的時間相對較早，爆炸應(yīng)力波對節(jié)理的作用是節(jié)理處起裂的主要原因。

根據(jù)節(jié)理處起裂裂紋的數(shù)量和形態(tài)特征劃分，節(jié)理處破壞類型表現(xiàn)為：①爆生裂紋未穿過節(jié)理(如試件S-2-1、S-2-3)；②爆生裂紋穿過節(jié)理，且不發(fā)生偏移(如試件S-1-1、S-2-2)；③爆生裂紋穿過節(jié)理，且產(chǎn)生1條偏移裂紋(如試件S-1-8、S-2-4)；④爆生裂紋穿過節(jié)理，且產(chǎn)生2條偏移裂紋(如試件S-1-3、S-2-9)。節(jié)理處起裂的裂紋擴(kuò)展長度記為X，節(jié)理處起裂位置與爆生主裂紋間的偏移距離記為Y，見圖4(a)中的標(biāo)記示意。2組破壞后試件的相應(yīng)裂紋擴(kuò)展長度X和偏移距離Y分別如表1、2所示。

表1 S-1組試件節(jié)理處起裂的裂紋偏移距離X和擴(kuò)展長度Y

表2 S-2組試件節(jié)理處起裂的裂紋偏移距離X和擴(kuò)展長度Y

結(jié)合表中的數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)理處的裂紋起裂為形式Ⅰ時，偏移距離Y和擴(kuò)展長度X有明顯的范圍：

S-1組(L=30 mm)：X≤55.8 mm，Y≤18.2 mm

S-2組(L=50 mm)：X≤24.1 mm，Y≤18.7 mm

其中， S-2組試件的擴(kuò)展長度X的上限明顯要小于S-1組的，這是由于S-2組炮孔(爆源)與節(jié)理之間的距離L大于S-1組的，距離L越大，炮孔切槽處產(chǎn)生爆生主裂紋在擴(kuò)展沿途克服擴(kuò)展阻力所做的功越大，應(yīng)力波的能量衰減越大，使得節(jié)理處起裂的裂紋尖端攜能越小，降低節(jié)理處起裂的裂紋的擴(kuò)展長度X。2組試件的偏移距離Y的范圍卻大致相同，上限均在18.5 mm左右，可見炮孔到節(jié)理的距離對節(jié)理處裂紋偏移距離Y的范圍影響不大。

當(dāng)節(jié)理處的裂紋起裂為形式Ⅱ時，節(jié)理處起裂的裂紋的偏移距離Y均大于起裂形式Ⅰ的，如試件S-1-5、S-2-8的偏移距離Y分別為27.6 mm、51.3 mm，較大程度地超過起裂形式Ⅰ的偏移距離上限。可見節(jié)理處起裂的裂紋的偏移距離Y明顯受到前文中從起裂時段角度劃分的這2種起裂形式的影響，而具體的影響關(guān)系將在后續(xù)工作中進(jìn)一步研究。

2.3 應(yīng)力分析

本節(jié)將對試件S-1-1(爆生裂紋穿過層理，不發(fā)生偏移)、S-2-4(爆生裂紋穿過層理，產(chǎn)生1條偏移裂紋)、S-2-9(爆生裂紋穿過層理，產(chǎn)生2條偏移裂紋)這3種破壞形態(tài)的試件裂紋擴(kuò)展進(jìn)行應(yīng)力分析。通過對焦散照片處理和數(shù)據(jù)計算的手段獲得裂紋尖端的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法在文獻(xiàn)[16-17]中已詳細(xì)說明，不再贅述。

圖7為試件S-1-1的主裂紋C1(直接穿過節(jié)理)、試件S-2-4的主裂紋C2和次裂紋C3以KⅠ及試件S-2-9的主裂紋C4和次裂紋C5、C6的(見圖4標(biāo)示)尖端動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時間t的變化關(guān)系，由于炮孔封堵對視場的遮蓋，炮孔周邊爆炸近區(qū)的裂紋擴(kuò)展情況未能被記錄；起爆25 μs以后的信息可被完整記錄。主裂紋C1、C2和C4的前期擴(kuò)展階段的裂紋尖端動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ的初始值基本相同，約為2.2 MN/m3/2，由于裂紋擴(kuò)展過程中能量的快速衰減，KⅠ隨時間均呈現(xiàn)顯著減小的變化趨勢；可見各試件的加載條件和起爆后的初始爆轟波對炮孔的作用基本相同，說明該試驗的爆炸加載具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

圖7 試件裂紋尖端的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時間的變化Fig.7 Curves of dynamic stress intensity factor with time of crack tips in specimens

對于試件S-1-1的主裂紋C1穿過節(jié)理后沿原方向繼續(xù)擴(kuò)展，裂紋尖端的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ在1.4 MN/m3/2左右震蕩變化。這一過程中，主裂紋C1并沒有發(fā)生止裂或重新起裂，說明試件S-1-1節(jié)理對主裂紋C1的擴(kuò)展未產(chǎn)生明顯影響，隨著擴(kuò)展的繼續(xù)，能量的進(jìn)一步衰減，趨于止裂。試件S-2-4、S-2-9的主裂紋C2、C4均至節(jié)理處停止擴(kuò)展，焦散照片上表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展至節(jié)理處時，其裂紋端部的焦散斑被節(jié)理“吸收”表現(xiàn)出突變性，主裂紋C2、C4端部能量在節(jié)理處釋放；隨后，試件S-2-4、S-2-9節(jié)理處發(fā)生應(yīng)力集中，焦散照片上表現(xiàn)為節(jié)理處出現(xiàn)焦散斑，且焦散斑逐漸變大，動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ增長，于180 μs達(dá)到斷裂韌度后節(jié)理處起裂并擴(kuò)展形成次裂紋C3、C5和C6；最后隨著擴(kuò)展能量的消耗，KⅠ逐漸減小，裂紋趨于止裂。其中，試件S-2-9的次裂紋C5和C6起裂擴(kuò)展的應(yīng)力特征上表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性，起裂時的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ約為0.89 MN/m3/2；相比之下，試件S-2-4的次裂紋C3起裂時的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ較小，約為0.66 MN/m3/2?？梢姡?jié)理處的不同起裂、擴(kuò)展形態(tài)在應(yīng)力特征上表現(xiàn)出明顯的差異性和復(fù)雜性。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)起裂時段的差異，節(jié)理處的起裂有2種形式，形式Ⅰ：在爆生裂紋擴(kuò)展至節(jié)理后，節(jié)理處起裂并擴(kuò)展，爆生裂紋對節(jié)理的直接作用是節(jié)理處起裂的主要原因。形式Ⅱ：在爆生裂紋擴(kuò)展至節(jié)理前，節(jié)理處已經(jīng)起裂并擴(kuò)展，爆炸應(yīng)力波對節(jié)理的作用是節(jié)理處起裂的主要原因。而節(jié)理結(jié)構(gòu)的差異是造成不同起裂形式的主要原因。

(2)通過對2組試件試驗分析的對比，發(fā)現(xiàn)節(jié)理處起裂為形式Ⅰ時，不同炮孔到節(jié)理距離的試件卻具有基本相同的裂紋偏移距離范圍，說明炮孔到節(jié)理的距離對節(jié)理處裂紋偏移距離范圍的整體影響不大；節(jié)理處起裂為形式Ⅱ時，節(jié)理處裂紋的偏移距離均遠(yuǎn)大于起裂形式Ⅰ的，可見起裂形式?jīng)Q定了偏移距離的范圍；炮孔到節(jié)理的距離越大，能量衰減越大，節(jié)理處裂紋的擴(kuò)展長度越小。

(3)通過對裂紋的動態(tài)應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)試件的不同破壞形態(tài)在裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力特征上表現(xiàn)出差異性和復(fù)雜性。

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Experimental study on the effects of joints on the blasting induced cracks propagation

YANG Renshu1,2， DING Chenxi1， YANG Liyun1， WANG Yanbing1， XU Peng1

(1.School of Mechanics and Civil Engineering , China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083,China;2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China)

By model test with the new digital laser dynamic caustics(DLDC) experimental system, the dynamic behaviors of crack initiation at joints were compared in condition of different intervals between boreholes and joints. The effects of joints on the blasting induced cracks propagation were studied. It is shown that the failure forms of test specimens are various due to the mesoscopic differences among joint structures. There are two forms of crack initiation at joints according to the different crack initiation time. Form 1: crack at the joint doesn’t be initiated until the blasting induced crack reaching to the joint. In this form, the direct action of blasting induced cracks on joints is the primary cause of crack initiation at joints. The offset distance of the crack initiated at the joint has little to do with the distance between borehole and joint in such form. Form 2: crack at the joint has already been initiated and propagated before the blasting induced crack reaching to the joint. In this form, the action of blasting stress waves on joints is the primary cause. The overall scope of the offset distance of crack at the joint is determined by these two forms. Different failures of specimens show various discrepancies and complexities in the aspect of crack stress characteristics.

model test; dynamic caustics; blasting induced crack; joint; crack initiation; stress characteristics

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0600903) ；國家自然科學(xué)基金(51274203；51404273)；深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室自主重點課題(GDUEZB201401)

2016-07-01 修改稿收到日期： 2016-10-09

楊仁樹 男，教授，1963年生

丁晨曦 男，博士生，1991年生

E-mail：dingcx91@sina.com

TD235

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.10.005