爆炸载荷下邻近巷道围岩裂纹贯穿过程研究.pdf

第 36 卷 第 2 期 2019 年 6 月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 2  Jun. 2019 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2019. 02. 004 爆炸载荷下邻近巷道围岩裂纹贯穿过程研究* 刘 康 1， 郭东明1， 2， 张英实1， 马有宝1， 陈亮亮1 （ 1. 中国矿业大学 （北京）力学与建筑工程学院， 北京 100083； 2. 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083） 摘 要 围岩中原有裂纹扩展贯穿是爆炸载荷下巷道围岩破坏的主要表现形式， 为了更清楚地了解围岩中 原有裂纹的扩展贯穿机理， 采用动态焦散线实验系统进行了详细研究。研究结果表明 爆生气体准静态应力 与削弱的应力场叠加产生主应力差峰值， 以弧形波的形式作用于邻近巷道围岩主裂纹， 并驱动主裂纹的快速 扩展及与原有裂纹的贯穿。主裂纹与原有裂纹贯穿伴随着能量的叠加和传递， 表现为贯穿后原有裂纹的起 裂、 扩展， 且扩展速度增加， 而能量的叠加和传递， 使得原有裂纹起裂扩展所需的能量释放率减小。主裂纹与 原有裂纹的贯穿微观上表现为应力场作用下主裂纹与原有裂纹间形成带状拉应力集中区， 带状应力集中区 域微裂纹被激活、 连通， 形成损伤演化带， 爆生主裂纹最终沿损伤演化带与原有裂纹贯穿。 关键词 爆炸载荷；邻近巷道；裂纹贯穿；能量叠加；能量传递 中图分类号 TD23 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2019） 02 -0026 -07 Study on Crack Penetration Process of Surrounding Rock of Adjacent Roadway under Blast Loading LIU Kang1， GUO Dong-ming1， 2， ZHANG Ying-shi1， MA You-bao1， CHEN Liang-liang1 （1. School of Mechanic ﹠ Civil Engineering， China University of Mining ﹠ Technology， Beijing 100083， China； 2. State Key Laboratory of Deep Rock and Soil Mechanics and Underground Engineering， Beijing 100083， China） Abstract The original crack propagation in surrounding rock is the main manifestation of the surrounding rock failure under the explosion load. In order to explore the extension mechanism of the original crack， the dynamic caus- tic line test system was adopted. Results show that the superposition of quasi-static stress from explosive gas and weakened stress field generates the peak value of the principal stress difference， which induces the main crack of the surrounding rock with arc wave. The main crack was driven to expand rapidly and penetrated with the original crack. The main crack and the original crack were accompanied by the superposition and transmission of energy， which was characterized by the cracking and expansion of the original crack after the penetration， accompanied with increased expansion speed. The superposition and transmission of energy inducing the original crack cracking and expansion got reduced. The penetration of the main crack and the original crack were characterized by a band-shaped tensile stress concentration zone between the main crack and the original crack. The micro-cracks in the band stress concentration region were activated and connected to a damage evolution zone. The main crack finally passed through the dam- age evolution zone and the original initiates. Key words explosion load；adjacent roadway；crack penetration；energy superposition；energy transfer 收稿日期 2019 -01 -17 作者简介 刘 康 （1988 - ） ， 男， 博士后， 主要从事动静载荷下巷 （隧） 道围岩损伤演化规律及机理研究， （ E-mail）fan qing0512163. com。 基金项目 国家重点研发计划 （2017YFC0804204-04） ； 国家自然基金 面上项目 （51274204） 当前， 由于钻爆法施工简便、 可操作性高， 一直 广泛应用于岩体坚硬的穿山隧道和深部岩巷等工 程， 然而， 爆炸载荷除了完成必要的破碎工作外， 不 万方数据 可避免的影响着邻近巷道围岩支护体的稳定。尤 其当间距较小时， 如西康线响水沟隧道、 流潭隧道 等， 更有甚者， 如成渝高铁新中梁山隧道与既有隧道 某位置竖向净距更小， 仅为 2. 7 m ［1， 2］， 爆破施工很 可能危及邻近巷道安全。为此， 许多学者展开了相 关研究， 初始阶段， 由于各种条件限制， 主要采用理 论分析方法， 将爆炸载荷下邻近巷道围岩动态响应 问题简化为应力波作用下的动应力集中问题 ［3-5］， 虽 然研究成果具有较大的理论价值， 但由于爆炸载荷 作用的瞬时性和复杂性， 采用爆炸动力学进行解析 分析较为复杂， 很难获得精确的解析解。随着计算 机技术的发展， 数值分析方法开始被广泛应用于该 问题的研究。刘慧等采用 LS-DYNA 数值软件模拟 了爆炸载荷下邻近巷道围岩的动态响应问题， 研究 发现， 巷道迎爆侧为最主要扰动区 ［6］。随后， 谭忠 盛 ［7］、 钟冬望［8］、 李宁等通过数值分析， 结合现场监 测从不同角度研究了爆炸载荷对邻近巷道围岩的 影响 ［9］。 然而， 无论是理论分析还是数值模拟， 大多数研 究往往假设围岩完整， 而实际上爆炸载荷下邻近巷 道围岩的破坏往往表现为围岩裂纹的扩展贯穿， 为 此， 郭东明、 刘康等采用动态焦散线实验系统对爆炸 载荷下邻近巷道围岩裂纹扩展规律进行了详细分 析 ［10， 11］。在此基础上， 着重研究了爆生主裂纹与原 有裂纹贯穿过程， 以求更深入地了解爆炸载荷下围 岩的损伤演化机理。 1 动态焦散线试验原理及实验系统 1. 1 动态焦散线原理 动态焦散线方法将动载荷下扩展裂纹的瞬态动 力学问题转化为简单的几何光学问题， 通过测定尖 端焦散斑的几何尺寸， 获得扩展裂纹尖端动态力学 参数， 由于爆炸载荷的复杂性， 裂纹扩展往往表现为 复合型扩展， 焦散斑成像原理如图 1 所示。当爆炸 载荷作用于裂纹自由面时， 产生拉剪应力， 裂纹尖端 动应力集中， 表现为尖端附近区域材料厚度的改变。 当均匀稳定的平行光投射过该区域时， 折射率的改 变使出射光偏离原平行方向， 最终， 光线汇聚形成明 显的亮线 焦散线 ［12］， 围绕的黑色阴影图形为焦 散斑， 见图 1。 图 1 焦散线成像示意图 Fig. 1 Schematic diagram of caustics ation 1. 2 动静加载透射式动态焦散线系统 研究采用的动静加载透射式动态焦散线系统经 历了不断的发展和完善， 杨仁树等为了研究爆炸载 荷下岩石裂纹扩展规律， 建立了爆炸加载式动态焦 散线实验系统， 能够准确的记录等间隔时刻裂纹扩 展图 ［12］。随着仪器设备的逐渐改进， 杨立云等引入 高速摄影机代替了老式的多幅式胶片相机， 采用能 够提供稳定光源的固体激光器代替了多火花式点光 源， 实现了清晰记录裂纹扩展全过程 ［13］。郭东明、 刘康等将该实验系统应用于爆炸载荷下邻近巷道围 岩损伤问题的研究 ［14］。图 2 即为实验系统光路图， 主要包括激光发射器， 扩束镜、 场镜、 加压固定设备 和高速摄影机等。 图 2 透射式动态焦散线实验系统光路图 ［15］ Fig. 2 Transmission type dynamic caustics experimental system light path diagram ［15］ 1. 3 透射式动态焦散线实验系统 （1） 裂纹扩展速度 高速摄影仪可按设定的时间间隔记录到裂纹扩 展过程系列图片， 依次测定每幅图片焦散斑几何中 72第 36 卷 第 2 期 刘 康， 郭东明， 张英实， 等 爆炸载荷下邻近巷道围岩裂纹贯穿过程研究 万方数据 心到参考点的位置的间距， 可获得不同时刻的裂纹 扩展长度。采用 origin 软件经过数据处理可获得裂 纹扩展速度 υ 与时间 t 的关系， 即 ［15， 16］ υ ＝ l （t）（1） （2） 裂纹动态能量释放率 裂纹的扩展伴随着能量的释放， 为裂纹的继续 扩展提供能量， 裂纹扩展过程中动态能量释放率与 尖端应力强度因子、 裂纹扩展速度有关， 基于此， Freund 给出了相应表达式 ［17］ G ＝ 1 E ［A1（v） K2 1 ＋ A∏（v） K2 ∏］ （2） 式中 E 为材料的弹性模量； v 为裂纹的扩展速 度； A1（v） 、 A∏（v） 为裂纹扩展速度函数， v ＝0 时， A1（v）＝ A∏（v）＝1 v≠0 时 A1（v）＝ v2αd/ ［ （1 - v） c2 sD］ A∏（v）＝ v2αd/ ［ （1 - v） c2 sD］ αd＝1 - v2/ c2 槡 d αs＝1 - v2/ c2 槡 d D ＝4αdαs- （1 ＋ α 2 s） 2 式中 cd为膨胀波波速； cs为剪切波波速。 动态应力强度因子 Kd 1 和 Kd ∏计算表达式为 ［18］ K1＝ 22 槡π 3g5/2z0CdD 5/2 max K∏＝ μK { 1 （3） 式中 z0为参考平面与试件的间距； c 为有机玻 璃板应力光学常数； d 为有机玻璃板厚度； μ 为动态 应力强度因子的比例系数， 可通过 （Dmax- Dmin） / Dmax确定； g 为应力强度数值因子， 可通过 μ 确定。 通过数字激光动态焦散线系统记录的系列图片 可获得各时刻对应的焦散斑， 利用 photoshop 软件可 测得图 1 中的焦散斑直径 Dmax和 Dmin。 2 试验模型建立 2. 1 模型材料选择 真实的巷道围岩为非均质各向异性材料， 但本 文研究重点为围岩中裂纹的扩展贯穿过程， 故为了 排除其他因素影响， 故需要选择一种均质材料。动 态焦散线实验系统能够记录爆炸载荷下裂纹扩展全 过程， 对于裂纹扩展贯穿过程的研究具有重要的价 值， 但该系统对模型材料具有较高的要求， 它需要模 型材料具有较高的透光率、 均质各向同性， 而有机玻 璃具有上述优点。它虽然与岩石类材料具有较大的 物理力学差异， 但也能够很好地反映裂纹扩展贯穿 过程， 满足试验需要， 而且有机玻璃具有岩石材料所 不具有的诸多优点， 如易加工， 其高度均质各向同 性， 试验结果离散型较小等。因此， 最终选择有机玻 璃作为试验材料， 表 1 为有机玻璃的动态光学常数。 表 1 有机玻璃的动态光学常数 Table 1 Dynamic optical constants of model material ρ/ （kgm -3） Cp/ （ms -1） Cs/ （ms -1） Ed/ （GNm-2）υ d Ct/ （m2N -1） 1145219012003. 5950. 320. 084 2. 2 模型相关尺寸的确定 试验模型规格为 300 mm 300 mm 5 mm。试 验巷道形状为直墙拱形， 尺寸为 孔洞下部 为 40 mm 20 mm 的半矩形， 上部为半径 20 mm 的半 圆拱。在孔洞左侧加工直径为 6 mm 炮孔， 填充叠 氮化铅单质炸药来模拟邻近爆炸载荷。为了简化研 究， 以水平裂纹为例进行试验研究， 原有裂纹长度为 5mm。另外， 通过计算表明， 裂纹扩展贯穿过程时间 较为短暂， 自由面反射波对裂纹扩展贯穿影响较小， 故仅固定了边界， 防止面外振动影响裂纹扩展过程。 图 3 模型示意图 （单位 mm） Fig. 3 The sketch map of test model （unit mm） 3 巷道围岩裂纹扩展贯穿过程实验研究 3. 1 裂纹扩展贯穿过程现象描述 图 4 为爆炸载荷下有无巷道时， 爆生主裂纹与 围岩原先裂纹扩展结果图。从图中可看到， 当存在 巷道时， 爆生主裂纹与原有裂纹 B 端直接贯穿， 且 原有裂纹 C 端扩展并最终与邻近巷道起拱点贯穿； 而当不存在巷道时， 爆生主裂纹翘曲向原有裂纹 C 端并最终导致了 C 端扩展。综上可知， 原有裂纹本 身对爆生主裂纹的扩展方向具有一定导向性， 而巷 道的存在进一步增强了原有裂纹对爆生主裂纹的 引导。 为了直观地分析爆炸载荷下邻近巷道围岩裂纹 的扩展贯穿过程， 采用动态焦散线实验系统采集了 82爆 破 2019 年 6 月 万方数据 系列焦散斑图片， 见图 5。图中以炸药起爆为时刻 零点， 当 t ＝ 33. 33 μs 时， 在预制切槽的导向作用 下， 炮孔处诱发沿切槽方向的爆生主裂纹， 主裂纹尖 端具有明显的焦散斑， 伴随着爆生主裂纹继续扩展， 焦散斑直径波动性变化。t ＝46. 67 μs 时， 应力波传 播到邻近巷道围岩原有裂纹处， 表现为原有裂纹两 尖端应力集中出现的焦散斑。t ＝73. 33 μs 前， 爆生 气体快速充满整个爆腔， 最终产生沿炮孔径向的准 静态应力， 当 t ＝73. 33 μs 时， 伴随着爆生气体的释 放， 准静态应力以脉冲荷载的形式作用于围岩。由 于准静态应力落后于应力波的作用， 将与衰减的应 力波叠加， 形成主应力差峰值， 表现为围岩中弧线型 应力集中区， 如图 5 中 t ＝93. 33 μs 时刻所示， 且此 时弧线型应力集中区已开始影响爆生主裂纹的扩 展。t ＝120 μs 时， 弧型应力集中区越过爆生主裂 纹， 逐渐接近邻近巷道原有裂纹， 此时， 爆生主裂纹 尖端焦散斑明显减小， 而原有裂纹尖端焦散斑增大， 这说明弧线型应力集中区对裂纹的扩展具有较大的 驱动作用， 当弧线型应力集中区越过爆生主裂纹， 接 近原有裂纹时， 对爆生主裂纹的驱动作用消失， 而对 原有裂纹的扩展驱动增强。t ＝140 μs 后， 爆生主裂 纹与原有裂纹左尖端开始贯穿， 表现为尖端的焦散 斑明显增大， 说明裂纹的贯穿伴随着能量的叠加； t ＝153. 33 μs 时， 贯穿点焦散斑消失， 原有裂纹右尖 端开始起裂扩展， 说明裂纹的贯穿伴随着能量的传 递。最终， 当 t ＝180 μs 时， 原有裂纹与巷道贯穿。 图 4 有无巷道时迎爆侧原有裂纹扩展结果图 Fig. 4 The growth diagrams of original crack in the face-blasting side existing tunnel or not 图 5 爆炸载荷下迎爆侧裂纹扩展贯穿全过程系列图片 Fig. 5 A series of pictures of crack growth process in the face-blasting side under the action of the blasting load 3. 2 裂纹扩展贯穿运动学分析 通过爆生主裂纹与邻近巷道围岩原有裂纹扩展 过程系列图片分析可知， 爆生主裂纹与原有裂纹的 扩展贯穿伴随着能量的叠加和传递， 往往表现为裂 纹扩展动能的变化， 因此， 对裂纹贯穿前后的裂纹扩 展速度进行详细分析， 以求更深入地了解裂纹的扩 展贯穿机理。 图 6 中黑色曲线表示爆生主裂纹的扩展速度变 化曲线， 红色曲线为贯穿后原有裂纹右尖端的扩展 速度变化曲线。从图中可看到， 裂纹贯穿前， 爆生主 裂纹的扩展速度整体呈波动性减小的规律， 其中， 当 t ＝110 μs 左右时， 弧型应力集中区接近爆生主裂纹 尖端， 裂纹扩展速度仅略微增加， 越过后开始减小， 验证了弧形应力集中区对裂纹扩展的驱动作用。当 爆生主裂纹与原有裂纹贯穿前一时刻裂纹扩展速度 约为 162 m/ s， 当爆生主裂纹与原有裂纹贯穿后， 原 有裂纹起裂扩展， 扩展速度达到 324 m/ s， 此时， 弧 型应力集中区已经越过原有裂纹右尖端， 说明导致 原有裂纹扩展的直接原因是爆生主裂纹与原有裂纹 贯穿过程中能量的叠加和传递， 而弧形应力集中区 起到了间接驱动作用。 92第 36 卷 第 2 期 刘 康， 郭东明， 张英实， 等 爆炸载荷下邻近巷道围岩裂纹贯穿过程研究 万方数据 图 6 裂纹贯穿前后速度随时间变化曲线 Fig. 6 The changing curve of velocity about the crack penetrating 3. 3 裂纹扩展贯穿能量分析 裂纹的扩展伴随着能量的释放， 图 7 中黑色曲 线为爆生主裂纹扩展过程中尖端能量释放率的变化 曲线， 红色曲线为贯穿后原有裂纹右尖端的能量释 放率变化曲线。从图中可看到， 110 μs 前， 爆生主 裂纹尖端动态能量释放率呈波动性减小， 110 μs 后， 动态能量释放率突然增加， 且增加幅度较大， 结 合图 5 和图 6 可知， 此时， 弧型应力集中区接近扩展 裂纹尖端， 加速了裂纹的扩展。当 t ＝ 126. 67 μs 后， 弧型应力集中区越过爆生主裂纹， 动态能量释放 率大幅度衰减为 832 N/ m， 此时爆生主裂纹尚未与 原有裂纹贯穿。当裂纹贯穿后， 原有裂纹右尖端动 态能量释放率仅为 389 N/ m， 远小于爆生主裂纹扩 展的尖端动态能量释放率， 这是由于原有裂纹右尖 端克服扩展阻力起裂扩展所需能量一定， 而原有裂 纹右尖端长时间的应力集中， 尖端微裂纹发育， 扩展 阻力减小， 且爆生主裂纹与原有裂纹贯穿伴随着能量 的叠加和传递， 提供了原有裂纹右尖端扩展所需的大 部分能量， 因此， 其右尖端扩展时能量释放率减小。 图 7 裂纹贯穿前后动态能量释放率变化曲线 Fig. 7 The changing curve of dynamic energy release rate about the crack penetrating 3. 4 裂纹扩展贯穿过程机理分析 爆生主裂纹的扩展方向代表着应力场中爆炸能 的集中释放方向， 与原有裂纹成为整个应力场中最 为薄弱位置， 爆生气体释放引起的主应力差峰值驱 动着应力场中裂纹的扩展， 并在爆生主裂纹与原有 裂纹间形成一条主拉应力迹线， 间接引导着裂纹的 扩展贯穿。当爆生主裂纹与原有裂纹贯穿时， 伴随 着能量的叠加和传递， 且由于惯性效应， 爆生主裂纹 的扩展性质传递给原有裂纹， 使原有裂纹扩展保持 爆生主裂纹方向起裂扩展， 下面从宏细观角度进行 详细分析。 3. 4. 1 扩展贯穿过程机理宏观分析 爆生气体释放引起的主应力差峰值对围岩中裂 纹的扩展贯穿起着重要的作用， 由于其产生的弧型 应力集中区以波的形式向邻近巷道围岩传播， 故简 称为弧型波。大量的实验已经证实， 弧型波对裂纹 的扩展有重要影响， 其移动速度约为 300 m/ s， 当弧 型波接近扩展裂纹尖端时， 裂纹扩展速度明显增加， 当弧型波越过裂纹尖端后， 裂纹扩展速度逐渐减小 为零 ［19］， 基于此， 可将围岩中裂纹扩展贯穿过程分 为四个阶段， 如图 8 所示。 图 8 爆生主裂纹与原有裂纹贯穿前后宏观分析 Fig. 8 The macroscopic analysis about the main crack penetrating the original crack 第一阶段为弧形波移近爆生主裂纹尖端过程。 随着弧形波移近扩展中的爆生主裂纹尖端， 对主裂 纹扩展的驱动作用逐渐增强， 表现为主裂纹尖端焦 散斑直径的明显增大， 主裂纹扩展速度明显增加。 第二阶段为弧形波越过爆生主裂纹尖端过程。 随着弧形波越过爆生主裂纹尖端， 驱动作用消失， 表 03爆 破 2019 年 6 月 万方数据 现为主裂纹尖端焦散斑直径和主裂纹扩展速度逐渐 减小。 第三阶段为爆生主裂纹与原有裂纹贯穿过程。 弧形波越过爆生主裂纹尖端后逐渐迁移向原有裂纹 左尖端， 裂纹左尖端焦散斑直径明显增加， 应力集中 明显， 加之巷道自由面的影响， 使得薄弱的原有裂纹 区域与爆生主裂纹间形成明显的薄弱带， 引导着裂 纹的贯穿， 裂纹的贯穿过程伴随着能量的叠加和传 递， 表现为贯穿后焦散斑直径增大， 裂纹扩展速度增 加。 第四阶段为弧形波远离贯穿后的裂纹尖端过 程。随着弧形波远离贯穿后的原有裂纹右尖端， 尖 端焦散斑直径波动性减小， 裂纹扩展速度减小并最 终止裂。 3. 4. 2 扩展贯穿过程机理微细观分析 炸药爆炸后， 应力波首先作用于巷道围岩中的 原有裂纹， 原有裂纹两尖端应力集中， 尖端区域微裂 纹被激活、 连通， 形成局部损伤化带， 但尚未表现为 裂纹宏观扩展。对于炮孔处， 在应力波和后续准静 态应力引起的主应力差峰值作用下， 沿切槽方向诱 发爆生主裂纹， 伴随着爆生主裂纹的宏观扩展， 尖端 附近时刻发生着损伤的演化迁移。当主裂纹接近原 有裂纹时， 由于原有裂纹的导向作用， 将在爆生主裂 纹与原有裂纹左尖端间形成带状拉应力集中区， 带 状应力集中区域微裂纹被激活、 连通， 形成损伤演化 带， 爆生主裂纹最终沿损伤演化带与原有裂纹左尖 端贯穿， 见图 9。 图 9 爆生主裂纹与原有裂纹贯穿机理分析 Fig. 9 The mechanism analysis about the explosive main crack penetrating with the original crack 4 结论 （1） 爆生气体准静态应力与应力场叠加， 产生 的主应力差峰值以弧形波的形式作用于邻近巷道围 岩主裂纹， 并驱动裂纹的快速扩展， 当弧形波越过主 裂纹尖端， 裂纹扩展速度和焦散斑直径减小； 主裂纹 与原有裂纹的贯穿伴随着能量的叠加和传递， 表现 为扩展后原有裂纹右尖端的起裂扩展及焦散斑直径 的增加。 （2） 爆生主裂纹与原有裂纹贯穿后， 原有裂纹 起裂， 扩展速度大于贯穿前爆生主裂纹扩展速度； 而 贯穿后原有裂纹右尖端能量释放率减小， 上述分析 说明裂纹的贯穿伴随着能量的叠加和传递， 导致原 有裂纹扩展速度增加， 原有裂纹右尖端起裂扩展所 需的能量释放率减小。 （3） 弧形波的传播驱动着爆生主裂纹与原有裂 纹的贯穿， 可将贯穿过程分为四个阶段 弧形波移近 主裂纹尖端驱动主裂纹扩展； 弧形波越过主裂纹尖 端， 主裂纹扩展速度减小； 主裂纹与原有裂纹贯穿， 能量叠加并传递给原有裂纹； 弧形波远离贯穿裂纹， 贯穿裂纹扩展速度减小， 并最终止裂或与邻近巷道 贯穿。 （4） 主裂纹与原有裂纹的贯穿微观上表现为应 力场作用中主裂纹与原有裂纹间形成带状拉应力集 中区， 带状应力集中区域微裂纹被激活、 连通， 形成 损伤演化带， 爆生主裂纹最终沿损伤演化带与原有 裂纹左尖端贯穿。 参考文献 （References） ［1］ 孔德森， 孟庆辉， 张伟伟， 等. 爆炸荷载作用下地铁隧 道的冲击反应研究 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