爆炸应力波在含层理介质中传播规律的实验研究.pdf

第 3 5卷第 2期 2 0 1 8年 6月 爆破 BLAS TI NG Vo 1 ． 3 5 No ． 2 J u n ． 2 0 1 8 d o i 1 0 ． 3 9 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 7 X ． 2 0 1 8 ． 0 2 ． 0 0 1 爆炸应力波在 含层 理介质 中传 播规律 的实验研究 术 杨立 云 ， 刘 振 坤 ， 周莹 莹 ， 丁 晨曦 ， 包仕 俊 ， 张勇 进 中国矿业大学 北京 a ． 力学与建筑工程学院； b ． 管理学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 采用超 高速数字 图像相 关实验 系统 ， 进 行 了爆 炸应 力波在含 层理 结构的 P MMA试件 中的传播试 验 ， 分析了全场应变的演化过程和相关测点的应变时程变化。实验结果表明 爆炸应力波在含有层理的介质 中传播 时， 层理远 区的应力波衰减幅度 比层理 近区的应力波衰减幅度大。通过应变云 图的演化过程发 现 ， 应 力波遇到层理后会发生反射 ， 入射拉伸波与反射拉伸波叠加形成了较强的拉伸集中区， 并沿着层理向两端扩 展逐步减弱。此外， 通过数据拟合得到了层理 内、 外侧的应变峰值衰减规律， 应变峰值的衰减随距 离基本是 线性的 ， 且层理 内侧的应 变衰减速度 大于层理 外侧 的。 关键词 爆炸应 力波 ；层理 ； 数 字图像相 关；全场应 变；应变衰减 中图分 类号 0 3 8 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 8 0 2一 O 0 0 l O 5 S t u d y o n Pr o p a g a t i o n La w o f Ex p l o s i v e S t r e s s W a v e i n La y e r e d M e d i a Y A NG L i y u n ， L I U Z h e n k u n ， Z H OU Y i n g y i n g ， D I NG C h e n x i ， B A O S h i - j u n ， Z H A N G Y o n g -j i n a ． S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ； b ． C o l l e g e o f Ma n a g e m e n t ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a Ab s t r a c t T h e u l t r a h i g h s p e e d d i g i t a l i ma g e c o r r e l a t i o n e x p e rime n t s y s t e m w a s u s e d t o c a r r y o u t t h e e x p e ri me n t o f e x p l o s i v e s t r e s s w a v e p r o p a g a t i o n i n P MMA s p e c i me n wi t h b e d d i n g s t r u c t u r e ， a n d t h e e v o l u t i o n p r o c e s s o f t h e s t r a i n a s we l l a s t he c h an g e o f t h e s t r a i n t i me o f t h e r e l e v a n t me a s u ring po i n t s wa s a na l y z e d．Ex p e rime n t a l r e s ul t s s h o w e d t h a t wh e n t h e s t r e s s w a v e p r o p a g a t i n g i n t h e me d i u m c o n t a i n i n g t h e b e d d i n g ， t h e a t t e n u a t i o n o f s t r e s s w a v e i n t h e f a r a r e a o f b e dd i ng wa s l a r g e r t ha n t h a t i n t h e n e a r a r e a o f be d d i n g ．Th r o u g h t h e e v o l ut i o n o f s t r a i n c l o ud， i t i s f o u n d t h a t t h e s t r e s s w a v e i s r e fl e c t e d a f t e r e n c o u n t e rin g t h e b e d d i n g ， a n d t h e i n e i d e n t t e n s i l e wa v e a n d t h e r e fl e c t e d t e n s i l e wa v e s u pe rimpo s e t o f o r m s t r o n g t e n s i l e c o n c e nt r a t e d r e g i o n whi c h e x t e nd e d a nd we a k e n e d a l o n g t h e b e d di n g t o b o t h e n d s ． I n a d d i t i o n， t h e a t t e n u a t i o n o f t h e s t r a i n p e a k r e g u l a r i s o b t a i n e d b y d a t a f i t t i n g ， a n d t h e a t t e n u a t i o n o f t h e s t r a i n p e a k i s l i n e a r wi t h t he di s t a n c e， a n d t h e s t r a i n a t t e nu a t i o n v e l o c i t y i ns i de t h e b e d di n g i s l a r g e r t h a n t h a t o u t s i d e o f t h e b e d d i n g ． Ke y wor ds b l a s t i n g s t r e s s wa v e ；b e d d i n g；d i g i t al i ma g e c o r r e l a t i o n；f u l l fi e l d s t r a i n ；s t r a i n a t t e n u a t i o n 天然岩体是 一种非连续性和各 向差异性 的介 质 ， 与水泥 ， 混凝土， 塑料等人工材料不同， 岩体 中存 收稿 日期 2 0 1 80 13 1 作者简介 杨立云 1 9 8 3一 ， 男 ， 副教授 ， 主要从 事工程爆破 、 动 态断 裂力学 试验 研 究 方 面 的 工作 ， E m a i l y a n g l y c u m t b ． e d u． c n o 通讯作者 刘振坤 1 9 9 0一 ， 男 ， 硕 士 ， 从 事工程爆 破理 论与技 术研 究 ， E m a i l 1 8 8 1 0 2 9 3 0 3 1 1 6 3 ． c m。 基 金项 目 国家 自然科 学基金青 年基金项 目 5 1 4 0 4 2 7 3 ； 国家重点 研发计划项 目 2 0 1 6 YF C 0 6 0 0 9 0 3 在着大量 自然形成 的层理、 裂 隙、 节理和断层等缺 陷， 对其力学性质有很大的影响。在工程爆破 中， 岩 体中的层理等不连续面对爆炸应力波的传播有重大 影响， 直接关系到工程爆破的效果 。随着爆破技术 在工程领域应用逐渐成熟 ， 许多学者专家对爆炸应 力波在含有层理的介质 中的传播规律做了大量的研 究 ， 从理论分析 、 模型试验和数值模拟等方面展开了 研究 ， 并取得 了很多有价值的结论和规律。王明洋 ， 2 爆破 2 0 1 8年 6月 钱七虎根据断层与节理 的几何关系 ， 采用理论分析 的手段研究了爆炸应力波通过节理裂隙带的衰减规 律 。李夕兵等采用等效波 阻抗 的方法 ， 研究 了不 同波形的瞬态应力波穿过夹层后的透射波形式以及 能量传递效果 J 。杨仁树 ， 许鹏等通过假设应力波 波动理论 的相关条件 ， 建立基于 A B A Q U S／ E X P L I C I T的有限元数值模型 ， 研究 了爆炸应力波在节理岩 体中的传播过程 J 。宋林 等运用理 论方法分析 了 应力波在两个平行节理 岩体 中的传播 规律 j 。鞠 杨等运用应力波动理论假设条件模拟 了孔 隙介质下 的 S H P B冲击及过程 ， 分析了岩石 类孔 隙介质在 应 力波动下 的动力学 响应 、 应力传递模式和变形破 坏 机制 J 。王雁冰等通过爆 炸焦散实 验和数值模 拟 的方法 ， 对爆炸应力波作用下缺 陷介质裂纹扩展 规 律进行了研究 J 。 田振 弄等通过模 型试 验 的方 法 研究 了应力 波在 一维 节理 岩体 中 的传 播规 律⋯ 。 K U e n i s h i 等讨论了爆破钻孔的应力波和与不连续介 质相互作用 的应力波 的数值模 拟结果 』 。刘婷婷 等运用数值模拟的方法研究了应力波在含有一组平 行充填节理的岩体 中的传播规律 ， 同时还分析 了应 力波在多条充 填节理处 的传播 特性 J 。徐 向宇 等 采用理论分析并结合有限元模拟方法分析 了不同装 药量 、 孔间距等条件下 的爆破煤体裂纹扩展及爆破 应力的传播特征 。王卫华等 运用离散元方法探 究 了一维正弦纵波穿过不同形貌特征的节理时的透 反射规律 。李新平等采用模型试验分析 了地应 力条件和节理的数量对爆炸应力 波传播 的影 响规 律㈦ 。 综上发现 ， 关 于这方面已有 的研究多是采用数 值模拟和理论结合的方法 ， 实验方面 的研究还不够 深入 ， 通过建立 模型试 验 ， 采用 中国矿业 大学 北 京 超高速数字图像相关 实验系统分析爆炸应力波 在层理介质中传播过程 的全场应变变化 ， 着重研究 层理对应力波传播 和衰减 的影响 ， 为工程爆破实践 提供理论参考。 1 应力波遇到层理时 的理论分析 1 ． 1 层理界面处应力波传播模型 如图 1所示 ， 当压应力波入射到层理界面处发 生反射和折射现象 ， 以一定角度 O L 入射到两种介质 的分界 面， O t 、 O L 。 为纵 波的反射角和折射角 ， 卢 、 卢 ， 为横波的反射角和折射角。根据惠更斯原理有 兰 s i n ／ 3 2 鱼 1 C1 C1 C2 C3 C4 式中 C 、 C 是介 质 a中纵波 和横波 的传 播速 度 ， c ， 、 c 是介质 b中对应的传播速度 ； 假设入射波 的波幅为 A ， 纵波的反射波幅和折射波幅分别为 和 A ， 横波的反射波幅和折射波幅分别为 A 和 A ； P 。 和P 两种介质的密度 ， 依据边界条件得到下列关 系式 A l A 2 C O S 1A 3 s i n 卢 2一A 4 C O S O ／ 3一A 5 s i n 30 - 2 s i n A 3 c 。 s 卢 2一A s i n 3A 5 c 。 s 卢 30 2 A l A 2 C 1 C O S 2 卢 2一A 3 C 2 s i n 2 2一A 4 C 3 P 6 ／ p 。 C O S 2 ／3 3一A 5 C 4 P 6 ／ v 。 s i n 2 ／3 30 P o c ； [ l A 2 s i n 2 a l A 3 C l ／ C 2 C O S 2 ／3 2 ]一 P b c E A 4 c 1 ／ c 3 s i n 2 3 一A 5 c 1 ／ c 4 C O S 2 卢 3 ]0 通过式 2 可 以得到 ， 在知道入射波的波幅前 提下 ， 由此方程可以求出反射波和折射波的波幅。 p ’ ／ ＼ ， A ＼， 图 1 应力波传播示 意图 Fi g．1 Sc h e ma t i c d i a g r a m o f s t r e s s wa v e pr o p a g a t i o n 1 ． 2 应力波能量传递分析 应力波在 弹性 介质 中振动传播 时做机 械振动 实验 中 ， 各质元产生弹性形变 ， 由近及远形成波 的传播过程 ， 能量随波的传播而传递 出去。假设应 力波在某弹性介质中传播 ， 速度为 u ， 则波动方程为 Y A C O S u t 3 设 在 处 的某 质元 ， 体 积 为 △ ， 质量 A m p AV ， 在振动过程 中， 质元 的能量 包括动能 和 势能 E 。 E A m 2 △ 鲁 1 AV 2 A C a s i n [ u t ] 4 E I k l 2 5 E E E p 6 式 中 p为弹性介质密度 ； A为振幅 ； 为角频 第 3 5卷第 2 期 杨立云， 刘振坤 ， 周莹莹， 等爆炸应力波在含层理介质中传播规律的实验研究 率 ； 为弹性系数 ； f 。 为质点偏离初始平衡位置 的距 离 。应力波能量 的传递过程就是上一质元体将能量 传给下一个 质元 ， 由近及远地传递 ； 由于 阻尼的存 在 ， 故应力波随着传播距离越大能量消耗的越多 ， 波 动的振动强度就会减弱； 就某一质元 的能量在振动 过程表现为动能和势能的相互转化 ， 因而某质元的 能量变化可以用振幅大小来表示 ， 本实验为 了方便 研究 以质元 的初始最大振幅 A作为研究能量变化 的参数。 2实验参数 与分 析 2 ． 1 实验材料与参数 实验研究选择 P MMA平 面试件 ， 材料的相关参 数为 纵 波 波 速 V p2 1 2 5 m ／ s ， 横 波 波 速 1 0 9 0 m ／ s ， 弹性模量 E 3 ． 5 9 5 G N m j j ／ m。 ， 泊 松 比 d 0 ． 3 2 ， 光 学常 数 c t0 ． 0 8 m ／ G N； 试 件 尺 寸 a 分 区图 a P a r t i t i o n d i a g r a m 3 0 0 mm 3 0 0 m m 6 m m， 在试 件 中心 预制 直 径 6 m m的贯穿孔炮孔 ， 以叠氮化铅为起爆药并用铜管 装药 ， 单孔装药 量为 1 0 0 m g ； 在试件一侧喷绘 白底 黑斑 ， 散斑点直 径为 1 ． 2 m m， 散斑密度 8 0 ％， 散斑 不规则度 7 5 ％。实验的模型试件制作过程为 将一 块试件按照规定尺寸用激光切割成两块 ， 之后把两 块试件放在水平操作台上 ， 进行对齐拼接 ， 在接缝处 用注射剂注入氯仿 三氯 甲烷 ； 之后挤压 5 m i n后 试件便可粘结牢固， 接缝处形成具有一定强度 的层 理 ， 炮孔距离层理垂直距离为 L 6 c m； 将制作好的 试件在室温下养护 2 4 h ， 可进行实验。 为了更好地探究应力波 的传播规律 ， 根据层理 位置将层理附近区域分成 了近 区 黄色区 和远区 蓝色区 ， 并分别在近 区和远区取了测点 ， 同时也 在炮孔另一侧取了对称点， 以此来描述和分析应力 波的的传播规律 ， 如图 2所示。 b 远 区测 点 C 远区对 称测点 d 近 区测 点 b Me a s u r e d p o i n t C S y mme t r i c a l me a s u r r e d d Me a s u r e d p o i n t i n f a r a r e a po i nt i n f a r a r e a i n ne a r a r e a 图 2 测点位置示意图 Fi g ．2 L o c a t i o n o f t he me a s ur i n g p o i nt 以炮孔 中心为原点建立坐标 系， 在层理远 区选 取 6个 测 点分 别 是 O 。 3 c m， 0 c m ， O 4 c m， 0 c m ， 0 2 5 c m， 0 c m ， 0 3 7 c m， 0 c m ， 0 4 8 c m， 0 c m ， 0 9 c m， 0 c m ， 如图 2 b ； 在炮孔左侧对 应远 区 选 取 3 个 测 点 O 一7 c m， 0 c m ， 0 7 一 8 c m， 0 c m ， 0 8 一9 c m， 0 c m ， 分别 与 点 O 、 O 、 O 对称 ， 如图 2 C ； 在层理近区选取 5个测 点 5 C 1 T I ， 0 C 1T I ， P 1 5 ． 5 C 1 T I ， 0 C m ， P 2 6 c m， 0 c m ， P 3 6 ． 5 c m， 0 c m ， P 4 7 c m， 0 c m ， 如图 2 d 。 2 ． 2应变场演化过程分析 图 3为试件 的全场横向应变的部分演化过程 ， 以试件起爆开始计 时， 即 t 0 Ix s ， 应变云图中竖 向 的黑色直线代表层理位置 ； 应变图中蓝 紫色代表压 应力区域 ， 红橙色代表拉应力区域 ， 颜色越深表示应 变越大 ， 其它颜色区域为两者之间的过渡状态。 结合应变云图对试件 的横 向应变 e 演化过 程进行分析， 在 t 0 p s时刻炸药起爆 ， 在爆炸 冲击 波作用下 ， 炮孔左右两侧产生 了对称的“ 蘑菇头” 状 压应变集中区域。t 8 s时， 应力波强度变大， 炮 孔左右两侧 的压应力区域进一步变化 ， 形成“ 蝴蝶” 状。随着爆炸应力波向外传播， t 1 8 Ix s 时， 炮孔周 围的应变场发生了明显的变化 ， 炮孔两侧的初始压 应变区域以“ 双肾” 形 向外侧扩展 ， 同时炮孔上下两 侧 出现较强的拉应变区。随着爆炸应力波 的持续 向 外传播 ， 压应变场区域逐渐变大 ， t 2 8／x s时以“ 月 牙” 形态开始入射层理 ； 在 t 2 8 Ix s ～t 5 8 s的时 间段内， 由爆炸应力波形成的压应变区完成 了对层 理 的整个穿越过程 ， 同时紧随其后 的是 围绕炮孑 L 形 成 的“ 枣核” 状的横向拉应变 区域 ， 这是爆炸应力波 在传播 过 程 中介 质 的简 谐 振 动 造 成 的。在 t 5 8 s t 1 1 8 s时段 ， 初始压应变 区逐渐 向外扩 展至视场边缘 ， 应变场逐渐减弱 ， 但层理线附近应变 场变化比较明显 首先是层理位置 的入射拉伸波与 反射拉伸波相遇发生叠加 ， 使得层理附近发生拉伸 波集中区， 且拉应变场逐渐变强 ， 而后开始沿着层理 4 爆破 2 0 1 8年 6月 线 向两端扩展， 强度逐渐变弱， 这是极其明显的应力 波遇到层理发生绕射作用 的结果 ， 在 t 1 3 8 s时 层理周围的应力场趋于稳定， 同时视场 出现了应力 波到达 自由边界后形成的反射波图像。 图 3 横 向应变 e 演化过程 Fi g ．3 Th e e v o l u t i o n o f t r a n s v er s a l s t r a i n ⋯e 2 ． 3 测 点应 变时程 分析 根据试件全场应变场演化过程 ， 提取测点的应 变数据 ， 绘制相应的应变时程 曲线如图 4所示 ， 应变 曲线大致趋势 为正余弦式振动 。从下列曲线 图中， 可以看出 ①在层理远区， 层理左侧测点衰减幅度比 右侧测点衰减幅度大 ； ②在近 区测点的衰减趋 势比 较一致 ， 唯有层理线 上的 P 点出现了上折现象 ， 这 与层理的结构面不连续性有关； ③将层理右侧远 区 的测点和炮孑 L 左侧 的对称测点作比较 ， 可以发 现应 力波通过层理后应变幅值减小 ， 说 明有能量损失 ， 层 理对应力波传播起到了阻碍作用。 根据关键点的应变时程分析 图， 提取 了横向应 变的峰值并做了详细的对比， 如表 1和表 2所示 ， 可 以发现 ①层理远区应力波的衰减率 比层理 近区应 力波的衰减率大； ②对 比远区和近区关键点 的应变 峰值发现 ， P 点两侧的衰减率与其他阶段的衰减率 比较平缓 ， 变化不是很大 ； ③应力波穿过层理后衰减 率出现了一个先变小后变大的现象 ， 这是因为应力 波穿越层理时 ， 由于层理结构面不连续性 发生折射 和反射， 相 当于在层理处形成了新的应力波源， 改变 了初始应力波的属性 ； ④通过对比炮孔两侧相对称 的关键点关键点 的应变峰值 ， 可以发现应力波穿过 层理时应变峰值减小， 说明应力波能量损失， 层理阻 碍了应力波的传播。 表 1 测点应变峰值 Ta bl e 1 The s t r a i n pe a k o f t h e m e a s ur i n g po i n t 第 3 5卷第2期 杨立云， 刘振坤 ， 周莹莹， 等爆炸应力波在含层理介质中传播规律的实验研究 5 ∞ 毒 倒 匠 一 时间 t l g s a 远 区测 点应 变时程 曲线 a T h e t i me c o u r s e e n r Y e o f me a s ur e d po i nt i n f a r a r e a 时间 t ／ ix s b 近 区测点应 变时 程 曲线 b T h e t i me c o u r s e c u r v e o f me a s ur e d po i n t i n n e a r a r e a 6 0 0 ∞ 4 0 0 2 0 0 0 0 一 4 0 0 据 - 6 0 0 -8 0 0 1 0 0 0 图 4 测点应变时程曲线图 F i g ．4 T h e t i me c o u r s e c u r v e o f t h e me a s u r e d p o i n t 表 2 炮孔两侧对称点应变峰值 Ta b l e 2 Th e s t r a i n p e a k o f t h e s y mme t r y p o i n t ∞ i j磐 鹫 鼎 关键 点与炮 孔 的距离 s ／ e m a 层理内侧测点应变与距离的关系拟合曲线 a F i t t i n g c u r v e o f r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s t r a i n a n d di s t a nc e o f t h e i n ne r me as u r e d p oi n t o f t he be dd i n g 时 间t i f f s e 对 称点应 变时程 曲线 c T h e t i me c o u r s e c u r v e o f s y mme t r i c a l me a s u r i ng p o i n t 根据测点的应变峰值 ， 分别拟合出 了层理 内侧 和层理外侧 的横 向应 变峰值与炮孔距 离 S 关 系 曲 线 ， 如 图 5所示 ， 得到 了二者 的关系式 ， 层理 内侧 1 5 4 0 ． 51 0 4 s ， 层理夕 倾 0 1 3 6 4 ． 9 8 7 ． 9 s ， 可 以看 出应变的衰减随距离基本是线性 的， 但层理 内侧的衰减速度 比层理外侧的衰减速度大。 ∞ i j 四 彗 艘 H 关键点与炮孔的距离s ／ e m b 层理外侧测点应变与距离的关系拟合 曲线 b F i t t i n g c u r v e o f r e l a t i o n s h i p b e t we e n s t r a i n a n d d i s t a n c e o f t h e o u t s i d e me a s u r e d po i n t o ft he be dd i n g 图 5 应变衰减拟合曲线 Fi g．5 Fi t t i n g c ur v e o f s t r a i n a t t e nu a t i o n 3 结论 通过运用超高速数字图像相关 实验系统 ， 结合 模型试 验 ， 进 行 了爆 炸应力 波 在含有 层理 结构 的 P MMA试件 中的传播试验 ， 分析了应力波层理介质 中传播 的特点 ， 实验结果表明 1 爆炸应力波在含有层理的介质中传播时， 层理远 区的应力波衰减幅度比层理近区的应力波衰 减幅度大 ； 结合应变云图的演化过程发现， 应力波遇 到层理后会发生反射 ， 人射拉伸波与反射拉伸波发 生叠加产生较强 的拉伸集 中区， 并沿着层理 向两端 扩展逐步减弱。 2 通过对比炮孔两侧对称的关键点的应变变 化 ， 可以发现应力波穿过层理时应变峰值减小 ， 说明 应力波能量损失 ， 层理阻碍 了应力波的传播 ； 3 结合测点 的应 变数据 ， 分别拟合 出了层理 内侧和层理外侧的横向应变峰值与炮孔距离 s 关系 曲线， 层理内侧 1 5 4 0 ． 5 1 0 4 s ， 层理外侧 1 3 6 4 ． 9 8 7 ． 9 s ， 可以看 出应变的衰减随距离基本是 线性的， 且层理内侧的衰减速度比层理外侧的衰减 速度大 。 下转第 1 1页 O O O O 0 0 O 0 ∞ 加 加 ∞ ∞ 的 ∞ 一 一 一 一 1 毒 懂颦 一 ∞∞0∞∞∞∞∞∞∞ 4 2 4 m 第 3 5卷第2期 吴帅峰， 李晨 ， 栗日峰， 等振动三要素对新浇混凝土影响的研究 上接 第5页 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 王明洋 ， 钱七虎 ． 爆 炸应力 波通 过 节理 裂隙 带 的衰减 规律[ J ] ． 岩土工程学报 ， 1 9 9 5 ， 1 7 2 3 3 5 - 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