層理面對水壓爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律的影響

王海洋，陳 祥，盧保東，趙樹磊，王 杰，周宴民

(1.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 101500)

水壓爆破相對于傳統(tǒng)的爆破施工技術(shù)具有能量傳遞效率高、巖體破碎致裂均勻、降塵效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于爆破掘進(jìn)施工、煤層增透和建筑物拆除等領(lǐng)域。相對于均質(zhì)巖體，水壓爆破應(yīng)力波在層狀巖體內(nèi)的傳播規(guī)律更加復(fù)雜，應(yīng)力波的作用效果和分布特征差異十分明顯，使得爆破成型不理想，施工效率較低[1]。在地質(zhì)構(gòu)造作用的影響下，許多沉積巖、變質(zhì)巖等都會形成層狀構(gòu)造特征[2](見圖1)。層狀巖體的構(gòu)造特征決定了其在受力和變形過程中呈現(xiàn)出明顯的各向異性特征，導(dǎo)致水壓爆破在層狀巖體的應(yīng)用過程中，爆破應(yīng)力波的傳播與巖體損傷的耦合作用復(fù)雜，極易造成巖體的額外損傷，難以達(dá)到預(yù)期的爆破效果[3-4]。

對于水壓爆破應(yīng)力波傳播及在層狀巖體中的應(yīng)用情況，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了許多研究[5-6]，主要表現(xiàn)在水壓爆破對節(jié)理巖體的破巖機(jī)理研究[7-8]、水壓爆破在隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用[9]、不同節(jié)理特征的穩(wěn)定性分析[10-11]等方面。邵珠山等[12]對水壓爆破在巖體中的整個(gè)作用過程進(jìn)行理論分析，得出了沖擊波的傳播規(guī)律和不耦合系數(shù)與沖擊壓力的關(guān)系，確定了巖石質(zhì)點(diǎn)位移的變化規(guī)律。Cai等[13]采用相似模擬實(shí)驗(yàn)研究了水壓爆破應(yīng)力波在煤體中的傳播與衰減規(guī)律，通過對比分析非耦合介質(zhì)的爆破效果驗(yàn)證了水壓爆破的優(yōu)勢。劉婷婷等[14]采用了離散元模擬方法分析了應(yīng)力波在不同間距的節(jié)理巖體中的傳播規(guī)律，結(jié)果表明節(jié)理數(shù)量及其填充厚度對應(yīng)力波在節(jié)理面的透射系數(shù)影響十分顯著，當(dāng)節(jié)理間距足夠大時(shí)，透射系數(shù)與節(jié)理數(shù)量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。Li等[15]建立了滲流、應(yīng)力和損傷三維耦合模型，分析認(rèn)為爆破后裂紋的擴(kuò)展形式和分布特征受巖石的應(yīng)力狀態(tài)影響較大。丁堯等[16]針對層狀巖體隧道施工引起的非對稱大變形問題基于塊體離散元理論建立數(shù)值模型，分析了影響層狀圍巖地層穩(wěn)定性的因素，該現(xiàn)象主要出現(xiàn)在軟弱巖層施工中，受層理面傾角影響表現(xiàn)出不同的變形特征。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，目前對水壓爆破應(yīng)力波傳播未考慮不同層理面特征對應(yīng)力波的傳播規(guī)律影響，主要集中于微型節(jié)理傾角、節(jié)理寬度和初始應(yīng)力場對巖體動態(tài)損傷特性的研究，忽略了層理面對水壓爆破應(yīng)力波傳播的影響。筆者結(jié)合當(dāng)前隧道工程中普遍存在層狀巖體的現(xiàn)狀以及水壓爆破的廣泛運(yùn)用，對常規(guī)爆破和水壓爆破的爆破效果進(jìn)行對比分析，并開展不同層理面位置和層理面介質(zhì)對水壓爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律的影響機(jī)理研究，對層狀巖體爆破施工時(shí)的鉆孔設(shè)計(jì)和布置具有指導(dǎo)意義。

1 水壓爆破應(yīng)力波遇層理面的傳播機(jī)理分析

在進(jìn)行水壓爆破施工時(shí)，炸藥在巖體中爆炸的瞬間其能量以沖擊波的形式釋放，最初產(chǎn)生水中沖擊波并迅速向外傳播，波陣面通過不同介質(zhì)時(shí)的參數(shù)會發(fā)生突變，傳播過程中逐步衰減為壓縮應(yīng)力波，爆炸應(yīng)力波傳播過程如圖2所示。

圖2 爆炸應(yīng)力波傳播變化過程

由沖擊波在層理面的傳播情況(見圖3)可知，垂直于層理面的應(yīng)力波在巖石中傳播進(jìn)入層理面后，由于兩種介質(zhì)波阻抗的差異性，應(yīng)力波在層理面產(chǎn)生反射和透射。其中巖體和層理面的波阻抗分別為ρ1c1和ρ2c2。當(dāng)入射波σI到達(dá)層理面時(shí)，定義在層理面介質(zhì)中產(chǎn)生的第一次反射波為σR，透射波為σT。

圖3 沖擊波在層理面的傳播情況

在層理面位置處，根據(jù)動量守恒方程可得：

(1)

式中:μI、μR、μT分別為入射波、反射波、透射波所引起的質(zhì)點(diǎn)速度。

由疊加原理以及界面連續(xù)條件可得：

(2)

(3)

當(dāng)σI>σcd時(shí)，巖體由于壓應(yīng)力產(chǎn)生粉碎破壞，當(dāng)σR>σtd時(shí)，巖體由于拉應(yīng)力產(chǎn)生裂縫破壞。σcd和σtd分別為巖體的單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

由波的局部場特征定理及相關(guān)研究[17]可知：

(4)

式中：φ為阻抗匹配系數(shù)，與2種介質(zhì)的波阻抗有關(guān)：

(5)

將式(5)帶入式(4)可得反射系數(shù)R和透射系數(shù)T與介質(zhì)波阻抗的關(guān)系為

(6)

設(shè)炮孔半徑為r，層理面到爆源中心的距離為h，應(yīng)力波傳遞至層理面的峰值應(yīng)力[12]為

(7)

(8)

式中：σ0為孔壁初始壓力；r0為裝藥半徑；α為衰減指數(shù)；W為炸藥的裝藥量；A、β為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，與炸藥種類特性有關(guān)。

將式(8)代入式(7)得到：

(9)

本研究主要通過控制不同層理面介質(zhì)和層理面與爆源距離的差異進(jìn)行研究，在炸藥、炮孔半徑和衰減指數(shù)不變的情況下，把式(3)、式(6)帶入式(9)可得出層理面位置及其介質(zhì)對層理面應(yīng)力狀態(tài)的影響關(guān)系為

(10)

綜上所述，層理面的應(yīng)力情況主要受波阻抗差異所影響，當(dāng)巖體與層理面介質(zhì)的波阻抗差異越大時(shí)，透射系數(shù)T越小，反射系數(shù)R越大，層理面對應(yīng)力波的吸收越多促使應(yīng)力分布差異越大，使得巖體的能量傳遞效果更差。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 有限元模型

本文數(shù)值模型討論的是層狀巖體介質(zhì)中的水壓爆破應(yīng)力波傳播問題，模型尺寸為100 cm×100 cm×1 cm(見圖4)。圖中層理面距離炮孔中心的距離hi分別為5、10、15、20、25 cm。為了準(zhǔn)確模擬實(shí)際情況，將層理面設(shè)置為1 cm的填充介質(zhì)，分別為層理面A和層理面B，各層所處狀態(tài)完全連續(xù)。

圖4 層狀巖體水壓爆破模型

本研究通過模擬水壓爆破的層理面與炮孔不同距離h的情況以及層理面介質(zhì)差異來分析應(yīng)力波在層狀巖體的傳播規(guī)律，并通過常規(guī)爆破與水壓爆破進(jìn)行對比分析確定水壓爆破的優(yōu)越性。建立了均質(zhì)巖體模型和層理面與爆源不同距離的層狀巖體模型，其中炮孔位于模型中心，直徑為4.2 cm；炸藥直徑為3.2 cm。對模型進(jìn)行法向約束并在四周采用無反射邊界條件消除人為邊界影響。水、空氣和炸藥采用ALE算法，巖體和層理面采用拉格朗日算法，炸藥、空氣和水與巖石采用流固耦合以克服材料流動造成的網(wǎng)格畸變問題。

2.2 材料力學(xué)參數(shù)

TNT炸藥采用HIGH_EXPLOSION_BURN模型表征，炸藥單元體內(nèi)的壓力采用JWL狀態(tài)方程表征[18]，表達(dá)式為

(11)

式中：p為炸藥的爆轟壓，Pa；V為相對體積；E為內(nèi)能參數(shù)，Pa；e為爆轟產(chǎn)物的比內(nèi)能；A、B、R1、R2為特征參數(shù)，與炸藥的本身性質(zhì)有關(guān)；ω為格林愛森參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示[5,10]。

表1 TNT炸藥的材料參數(shù)

巖體和層理面介質(zhì)材料采用各向同性雙線性彈塑性本構(gòu)模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[14]來表征，具體力學(xué)性能參數(shù)如表2所示[10,14]。

水的性能采用Gruneisen[18]狀態(tài)方程和空材料模型*MAT_NULL共同表征，其中狀態(tài)方程表達(dá)式為

(γ0+aμ)E

(12)

式中：ρ0為水的初始密度；C為曲線截距；S1、S2、S3為曲線斜率系數(shù)；γ0為Gruneisen參數(shù)；E為初始內(nèi)能；μ為動力黏性系數(shù)；a為γ0和μ的一階體積修正量[18]，相關(guān)參數(shù)如表3所示[3]。

表3 水的材料參數(shù)

空氣性能采用空材料模型*MAT_NULL和Liner-Polynomial狀態(tài)方程共同表征[18]，其狀態(tài)方程表達(dá)式為

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E0

(13)

式中：C0～C6為常數(shù)；C4=C5=0.4，其余為0；E0為單位體積上空氣初始比內(nèi)能，取2.5×e-6；空氣密度為1.29 g/cm3。

模型采用的單位由建模時(shí)自行統(tǒng)一，本模型為g-cm-μs，后文分析均依據(jù)該單位代換。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力波在層理面的反射拉伸作用分析

當(dāng)炮孔內(nèi)炸藥爆炸后，爆炸產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)由水傳遞至巖體，呈圓形擴(kuò)散，當(dāng)傳遞至巖體層理面時(shí)部分應(yīng)力波產(chǎn)生反射。由于各個(gè)模型傳播情況相似，以層理面與爆源距離為10 cm的模型進(jìn)行應(yīng)力波傳播情況分析，其應(yīng)力波傳播過程如圖5所示。

圖5 水壓爆破應(yīng)力波傳播過程

隨著炸藥在炮孔內(nèi)爆炸后，水壓爆破應(yīng)力波最初呈圓形擴(kuò)散，當(dāng)縱軸的應(yīng)力波傳遞至層理面時(shí)軸向反射波與入射波相疊加形成應(yīng)力集中區(qū)(見圖5Ⅰ區(qū))，不同位置的層理面形成的應(yīng)力疊加區(qū)面積和應(yīng)力大小有所差異，應(yīng)力波穿過層理面時(shí)部分應(yīng)力波經(jīng)反射后向相反方向傳播(見圖5Ⅱ區(qū))，此時(shí)炮孔區(qū)域的巖體再次受到應(yīng)力波的拉伸破壞。

由距離炮孔6～14 cm的單元應(yīng)力狀態(tài)變化分析(見圖6)可知，在應(yīng)力波傳遞至層理面的過程中，層理面A和層理面B的峰值應(yīng)力衰減趨勢相近，衰減率約為20.2%和22.5%；當(dāng)透射過層理面時(shí)單元應(yīng)力迅速下跌，由于層理面B與巖體的波阻抗差異相對于層理面A更大，反射的應(yīng)力波更多，透射過程中的應(yīng)力衰減更快。同時(shí)由于應(yīng)力減小使得應(yīng)力波無法對層理面以外的巖體造成實(shí)質(zhì)損傷，應(yīng)力衰減率減小。

圖6 h=10 cm處的單元應(yīng)力波

3.2 層理面位置和介質(zhì)對應(yīng)力波傳播規(guī)律影響分析

數(shù)值模型在進(jìn)行計(jì)算過程中采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則模擬破壞狀態(tài)，得出了層理面與爆源不同距離和不同層理面介質(zhì)在常規(guī)爆破和水壓爆破作用下形成的爆破裂紋分布(見圖7～圖9)。

圖7 均質(zhì)巖體的爆破效果

圖8 不同層理面位置和層理面介質(zhì)的水壓爆破結(jié)果

圖9 不同層理面位置和層理面介質(zhì)的常規(guī)爆破結(jié)果

3.2.1 水壓爆破與常規(guī)爆破的作用效果對比分析

由圖7～圖9可知，在相同模型的情況下，兩種爆破的耦合介質(zhì)差異對爆破效果的影響十分明顯。水在高壓下形成爆炸沖擊波，根據(jù)帕斯卡原理，水能夠把爆炸產(chǎn)生的壓強(qiáng)更加均勻、緩和地作用在巖體上。在均質(zhì)巖體中，水壓爆破破碎區(qū)的半徑更大，裂紋區(qū)形成的裂紋更長，爆破時(shí)由炮孔中心環(huán)狀發(fā)散開裂，在形成主裂紋的同時(shí)產(chǎn)生切向裂紋，更有利于爆破。在層狀巖體模型中，水壓爆破的優(yōu)勢更為明顯，常規(guī)爆破產(chǎn)生的裂紋幾乎無法穿過層理面。

水壓爆破造成的孔壁初始應(yīng)力為1.293 GPa，裂紋半徑約為15.5 cm；常規(guī)爆破產(chǎn)生的孔壁初始應(yīng)力為0.572 GPa，裂紋半徑約為9.0 cm，僅為水壓爆破破碎半徑的58.06%。常規(guī)爆破經(jīng)過空氣介質(zhì)產(chǎn)生的沖擊波不是等熵的，在傳播過程中始終存在著因空氣絕熱壓縮而產(chǎn)生不可逆的能量損耗，因此爆破所造成的破碎面積，裂紋長度和有效作用范圍均小于水壓爆破的作用效果。

3.2.2 層理面位置對應(yīng)力波的作用效果分析

通過對均質(zhì)巖體與層狀巖體進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示層理面位置的差異對爆破破碎區(qū)半徑影響較小，但是對爆破的裂紋區(qū)影響比較明顯(見圖7和圖8)。當(dāng)層理面與爆源距離h=5 cm范圍內(nèi)時(shí)，抑制了該區(qū)域?qū)永砻嫫扑閰^(qū)的延伸和裂紋擴(kuò)展(見圖8a和圖9a)，層理面下側(cè)的巖體受到爆破初始應(yīng)力波和層理面反射應(yīng)力波的雙重加載，反射應(yīng)力波繼續(xù)誘導(dǎo)初始裂紋擴(kuò)散，使得下側(cè)巖體裂紋區(qū)的分布范圍較均質(zhì)巖體更大，裂紋長度更長；但是層理面上側(cè)的巖體因?qū)永砻鎸?yīng)力波的阻隔以及爆生氣體沿層理面縫隙的擴(kuò)散使得能量大幅降低，降低了爆炸能量對巖體的損傷效果，造成的裂縫較少；隨著層理面位置與爆源距離增大，反射波產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力促進(jìn)了應(yīng)力集中區(qū)(Ⅰ區(qū))的裂紋擴(kuò)展，增加了徑向裂紋并衍生出不同長度的翼端裂紋，同時(shí)改變了橫向裂縫的擴(kuò)展方向(見圖7、圖8b、圖8c和圖8d)，增大了應(yīng)力波的有效作用范圍。若此時(shí)應(yīng)力集中區(qū)位于隧道拱頂位置處，應(yīng)力過度集中于拱頂，容易造成拱頂失穩(wěn)和掉塊。裂紋擴(kuò)展和衍生效果在層理面與爆源距離增加至15～20 cm的位置比較顯著，當(dāng)該距離超過25 cm后，反射拉應(yīng)力的作用效果大幅下降，翼端裂紋擴(kuò)展長度逐漸減小，裂紋的分布形態(tài)逐漸接近均質(zhì)巖體(見圖8e和圖9e)。

蒲傳金等[19]采用了含人工裂隙的有機(jī)玻璃薄板為介質(zhì)研究了爆炸載荷作用下節(jié)理裂隙與炮孔中心不同垂直距離對裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。當(dāng)節(jié)理裂隙與炮孔距離L=40 mm時(shí)，促進(jìn)該區(qū)域的裂紋擴(kuò)展，并在翼端出現(xiàn)裂紋；隨著該距離的增大，反射拉伸裂紋擴(kuò)展效果明顯降低，整體裂紋擴(kuò)展與無節(jié)理的狀態(tài)相近。本文數(shù)值模擬結(jié)果與該實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，說明本研究方案適合模擬爆破過程中層理面對應(yīng)力波傳播和裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。

圖10 節(jié)理與爆源不同距離L的有機(jī)玻璃試驗(yàn)

3.2.3 層理面介質(zhì)對應(yīng)力波的作用效果分析

通過分析兩種介質(zhì)填充的層理面引起的爆破裂紋分布(見圖8和圖9)可知，層理面介質(zhì)的差異對爆破破碎區(qū)面積影響較小，但是對徑向裂紋的擴(kuò)展效果具有明顯區(qū)別。當(dāng)h<10 cm時(shí)，兩種介質(zhì)的反射拉伸區(qū)域處于破碎區(qū)，對應(yīng)力波的影響差異相近，在炮孔與層理面之間的區(qū)域產(chǎn)生大面積的破碎(見圖8a和圖8f)。隨著距離的增大，層理面A的上側(cè)在透射波的作用下產(chǎn)生稀疏裂縫，但是層理面B對應(yīng)力波的阻隔作用以及爆生氣體的衰減作用更大，無法對上側(cè)巖體造成實(shí)質(zhì)性破壞(見圖8b、圖8g、圖8c和圖8h)。因此，層理面介質(zhì)與巖體的差異越大，造成層理面區(qū)域的衰減越嚴(yán)重。當(dāng)h=20 cm時(shí)，2種介質(zhì)的裂紋擴(kuò)展達(dá)到最佳效果，層理面B相對于層理面A的反射應(yīng)力更大，形成的裂紋更多，應(yīng)力集中區(qū)的破碎更明顯。當(dāng)層理面與爆源的距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)力波逐漸降低，兩種介質(zhì)的破碎效果逐漸接近并衰減。

根據(jù)應(yīng)力波穿過不同位置和不同介質(zhì)的層理面到達(dá)距離爆源30 cm的單元峰值應(yīng)力變化(見圖11)可知，經(jīng)層理面B透射傳播至相同位置的應(yīng)力均小于層理面A傳播的應(yīng)力，層理面B的單元峰值應(yīng)力平均約為層理面A的0.76倍，常規(guī)爆破的單元峰值應(yīng)力平均約為水壓爆破單元峰值應(yīng)力的0.95倍，層理面對應(yīng)力波的阻隔作用隨層理面與巖體波阻抗差異的增大而增加。此外，層理面與爆源距離的變化對單元應(yīng)力的變化也十分明顯。因此層理面的特性差異對爆破效果影響顯著，當(dāng)層理面位于隧道掌子面輪廓位置時(shí)需要合理調(diào)整鉆孔位置，防止因?qū)永砻娴牟煌綇澢两诞a(chǎn)生離層和掉塊，增加施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 距爆源30 cm的單元應(yīng)力

4 結(jié)論

1)水壓爆破應(yīng)力波傳遞至層理面時(shí)發(fā)生反射和透射，反射應(yīng)力波對迎波面區(qū)域巖體造成二次加載，改變了層理面的應(yīng)力分布狀態(tài)，并導(dǎo)致臨近層理面巖體的入射峰值應(yīng)力減小，減小了應(yīng)力波對巖體的有效作用范圍。

2)水壓爆破產(chǎn)生的孔壁初始壓力遠(yuǎn)大于常規(guī)爆破產(chǎn)生的壓力，在不同的巖體條件下，水壓爆破造成的裂紋長度和破碎面積均優(yōu)于常規(guī)爆破。

3)層理面與爆源的距離對水壓爆破應(yīng)力波傳播的影響十分明顯，在層理面與爆源距離從5 cm增至25 cm的過程中，反射拉伸應(yīng)力促進(jìn)應(yīng)力集中區(qū)徑向裂紋的擴(kuò)展并誘導(dǎo)爆源區(qū)域裂紋的延伸，同時(shí)反射應(yīng)力波改變了橫向裂紋的擴(kuò)展方向。

4)不同層理面介質(zhì)對應(yīng)力波的透射和爆破裂紋的擴(kuò)展影響顯著，層理面介質(zhì)與巖體波阻抗的差異越大，對應(yīng)力波的阻隔作用以及爆生氣體的衰減作用更大，吸收的爆炸能量越多，致使透射應(yīng)力波更小，應(yīng)力波對巖體的實(shí)質(zhì)損傷范圍降低。