水下爆炸荷载下类岩石材料的累积损伤试验研究.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.004 水下爆炸荷载下类岩石材料的累积损伤试验研究 司创礬，钟冬r” 武汉科技大学a.冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室;b.理学院，武汉430081 摘要水下爆破工程施工中，炸药爆炸产生的水中冲击波会对临近的预保留岩体或周边桥墩等建构筑物 产生一定损伤，这种损伤在多次循环作业过程中会产生损伤积累。为研究水下类岩石材料的损伤累积机理 及规律，采用小当量药量水下爆炸产生的冲击荷载,循环作用于高强石膏粉浇模成型的标准试样上。通过高 速摄影机及水下冲击波测试系统记录和测定了荷载作用于试样上的高速时程变化过程，并对损伤后的试样 进行了单轴压缩试验，通过曲线，分析了试样随损伤次数的累积损伤演化过程及机理，得到了水下类岩 石材料在水下冲击波循环荷载下的累积损伤规律。可为水下爆破中对预保留岩体或建构筑物安全防护提供 参考。 关键词水下爆破；高速摄彩；水下冲击波测试；累积损伤；单轴压缩 中图分类号0625 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0021 -05 Experimental Study on Cumulative Damag e of Rock-like Materials under Underwater Explosion Loading SI J ian-fsnga,i, ZHONG Dong-wangb a . Hu bei Pr o vin ce Key La bo r a t o r y o f Sy st ems Scien ce in Met a l l u r gica l Pr o cess ； b. Co l l ege o f scien ce, Wu h a n Un iver sit y o f scien ce a n d t ech n o l o gy, Wu h a n 430081, Ch in a Abstract I n the construction of underwater blasting eng ineering, structures such as pre-reserved rock masses or surrounding bridg e piers will be damag ed under the impact of water shock waves g enerated by the explosion. This kind of damag e will be accumulated during multiple cycles of operations. I n order to study the damag e accumulation mechanism of underwater rock like materials, the impact loads produced by underwater explosions with small equiva lent explosive charg es were used to circularly act on the standard specimen casted by hig h-streng th g ypsum powder. The hig h-speed time history curves of the load acting on the specimens were recorded by a hig h-speed camera and an underwater shock wave test system, and uniaxial compression tests were carried out on the samples after damag e. Throug h the a s curve, the cumulative damag e evolution process and mechanism of the specimen with the number of damag es were analyzed and the cumulative damag e law of underwater rock-like materials under the cyclic shock wave loads is obtained. I t can provide reference for the safety protection of pre-reserved rock mass or building s in underwa ter blasting . Key words underwater blasting ； ； hig h speed photog raphy ； ； underwater shock wave test ； ； cumulative damag e ； ； uni-axial compression 收稿日期2020-04-19 作者简介司剑峰1彌-，男，湖北省武汉人,工程师、硕士，主要从事 爆炸动力学及其应用方向研究, E-mail674824263qq. como 通讯作者钟冬望1962 -，男,湖北省武汉人，教授、博士，主要从事工 程爆破、爆破安全方向 E-mail1057831589 qq. com0 基金项目湖北省教育厅科学技术研究项目Q20181109；冶金工业 过程系统科学湖北省重点实验室武汉科技大学开放基 金Y201717 水下爆破是水下基础建设的重要方法,广泛应 用于航道疏浚、基坑开挖等。在爆破过程中，炸药爆 炸产生的水中冲击波是水下爆破工程中最重要的危 害效应⑷。由于水介质密度远大于空气，水中冲击 22爆破2020年9月 波在传播过程中不易衰减,其危害作用远高于空气 冲击波，其作用于预保留岩石或水下桥墩等建构筑 物时会产生较强的损伤破坏。在多次爆破荷载作用 下，水中冲击波造成的损伤持续叠加,对保留岩体或 者保护对象而言其所受载荷形式也演变为间断的多 次循环爆炸荷载，其损伤过程也变成了一个累积的 损伤过程⑵。因此研究水下类岩石材料在循环爆 破冲击荷载作用下的累积损伤效应具有重要意义。 多次循环爆破作用下的水下岩石或类岩石材料 的损伤累积是一个复杂的过程。在爆炸冲击波作用 下一方面会产生新的裂纹，同时原有裂纹也得到扩 展延伸；在冲击波多次循环作用下，材料内部的裂纹 数量、长度均不断增加,裂纹之间也可能逐渐贯通连 接，形成大的主裂缝和裂缝群,造成材料的损伤程度 逐渐增加⑶。此外，冲击波在裂纹处会发生不同方 向的透射、反射等,裂纹在冲击波作用下也会产生不 同程度的闭合对冲击波具有一定的吸能作用。岩石 或类岩石材料裂缝中由于水介质的作用会使该过程 变得更为复杂。针对该问题,国内外学者对岩石材 料在爆炸荷载作用下的累积损伤和水下爆炸冲击波 的传播、损伤作用及防护方面做了大量工作,然而对 岩石或类岩石材料在水下爆破荷载下的累积损伤方 面研究较少。安徽理工大学陈亚楠等在现场利用单 孔声波测试仪和地质雷达对芦岭矿完成了 10次爆 破生产测试，同时结合数值模拟方法对多次爆破振 动下岩体的累积损伤效应进行了研究⑷。李允忠、 王志亮等通过数值计算方法研究了岩石循环爆破载 荷下的累积损伤演化与单次爆破的异同，并得出在 损伤区中部范围内，岩石累积损伤增量受循环爆破 载荷叠加作用的扰动较大⑸。金解放、李夕兵等系 统、深入地探索了静载荷与循环冲击组合作用下岩 石疲劳力学性能及其影响因素，建立了岩石损伤累 积演化模型，并探索了静载荷对岩石损伤累积的影 响同。李裕春等有限元软件模拟和水中实爆实验 研究了浅层水中冲击波与混凝土墩的相互作用，对 冲击波作用下混凝土墩的内部应力分布、墩面压力 特性以及混凝土材料破坏等与结构动态响应相关的 方面进行了分析切。彭亚雄等通过现场试验研究 了水下钻孔爆破水击波特性及传播规律和气泡帷幕 削压效果悶O 根据相似理论及模型材料选取原则,模型试验 的材料应选用低弹性、低强度、高容重材料，但有时 也不能完全满足相似条件⑼。爆破类试验研究中 常用水泥或石膏浇铸模型用以模拟类岩石脆性材料 材料问。采用高强石膏粉浇模形成标准柱形试样, 并以0.5 g炸药水下爆炸产生的冲击波荷载循环作 用在试样一端面,通过高速摄影机及水下冲击波测 试系统测定并记录冲击损伤过程，最后通过分析不 同次数冲击荷载损伤作用后试样的单轴压缩应力应 变曲线，得到了其损伤演化规律。 1损伤理论 在单轴压缩条件下，根据Lema it r e的应变等效 原理和有效应力概念⑴],定义损伤变量为 D 1 - E/E 1 式中E和指数“是表征材料脆性 的特性参数,“值越大反映材料越脆。乞和“可由 单轴压缩应力应变曲线的峰值点Pap,Sp条件 d/Up0 求得为, sp 1 n a/Ep - ap 4 2试验方案 2.1试验装置 试验模型采用GRG高强石膏粉以10, 4加水 快速搅拌浇模而成,尺寸为“ 5 cm X 10 cm,模型制 作完成后在阴凉通风条件下保持3 d后脱模。如图 1所示,将模型至于刚性底座固定在边长为60 cm 的立方体钢架底面中心,传感器、爆源分别用细钢丝 进行固定于同一水平面，距离试样上表面为5 cm, 传感器距离药包中心为15 cm。整个装置置于 200 cm x 100 cm x 100 cm 的水池中，水深 80 cmo 2.2测试方法 为获得爆炸冲击波作用过程，采用日本NAC公 司GX-8型高速摄影机，最高拍摄速率为 600 000 fps,本次拍摄速率为20 000 fps,画幅大小 为384x384,快门速度为48. 6妙。爆炸荷载为电 力起爆黑火药，配以冲击波测试系统测其爆炸压力。 水下爆炸冲击压力传感器采用美国PCB公司生产 的A138系列A25型传感器。冲击波信号采集系统 为HBM采集系统,最高采样率为2 x 106 ps,本试验 根据测试信号特点反复试验，最终取100 k0 第37卷第3期司剑峰，钟冬望水下爆炸荷载下类岩石材料的累积损伤试验研究23 图1药包、试样及传感器布置装置示意图 Fig . 1 Schematic diag ram of arrang ement device of charg e, sample and sensor 试验共采用8个试样，分为4组，每组2个试样 做重复性试验,其中第一组做对比试验,不做任何处 理，剩余3组分别冲击1次,3次,5次。每次冲击荷 载药量为0.50 0.001 g,爆炸中心距离试样上表面 距离为5 cmo药包、试样及传感器布置装置如图1, 整个爆破测试系统如图2。 3结果分析 3.1冲击波作用过程高速摄影及压力测试冲击波作用过程高速摄影及压力测试 典型冲击波时程曲线如图3所示，压力峰值为 0.817 MPa ,上升沿约100 ms,下降沿约180 |uls,整个 波形持续约16 mso通过高速摄影拍摄视频分幅处 理后的图片可以看出，传感器在爆炸冲击波以及气 泡脉动作用下有轻微晃动，因此从冲击波压力时程 曲线上可以观测到曲线尾部与“0线”有一定飘移后 再回到“0线”，但对测试峰值结果的观测影响不大。 一定深度水下爆炸近场冲击波压力衰减规律可 根据Co l e经验拟合公式，见式5 式中屮皿为冲击波峰值压力,GPa；K为52. 4、q 为衰减系数取1. 1 1.5；甲为炸药当量,kg；7为爆 心距，mm。 图2测试、起爆系统 Fig . 2 Test and initiation system 图3典型冲击波时程曲线 Fig . 3 Typical shock wave time history curve 根据以上公式，结合本试验测试15 cm处压力峰 值为0. 817 MPa ,可计算出a l. 3697,进而可得作用 在试样上表面的冲击波压力峰值约为5.05 MPao 通过高速摄影机对药包爆炸作用到试样上的全 过程进行拍摄,对拍摄结果进行原速率分幅处理,并 提取部分图片拼接得到总体过程，如图4。从炸药 爆炸到气泡脉动爆轰产物基本消失，整个过程共拍 摄384张照片，约19 200 a，其中气泡脉动的第一 个周期作用约持续11 ms,由高压爆生气体形成的 外表面光滑的球形气泡由小变大约5. 4 ms再渐 24爆破2020年9月 小（约5.5 ms） o在第一次脉动气泡接近试样上表 面时,受试样上表面的影响,气泡底部逐渐被压缩成 一个平面并出现一个局部的尖端凸起，同时试样上 表面也岀现边缘向下向内翻起的饼状压缩层。随着 气泡的逐渐变大，气泡底部的压缩区域逐渐变大，尖 端凸起与试样上表面的压缩层逐渐靠近至融合，随 后球体部分与压缩层完全融合。当气泡膨胀至最大 状态时开始收缩，此时试样上表面压缩层受力改变 逐渐被拉伸。由于气泡收缩速度高于底部拉伸速 度，因此压缩层被拉伸过程中出现间断层导致多层 叠加饼状层出现。当气泡进一步收缩，下端饼状压 缩层逐渐消失,直至整个气泡破裂，形成外表面极其 不规则的椭球状爆生产物，爆生产物再膨胀收缩 1 2次后整体扩散消失。 图4爆炸冲击波作用过程 Fig . 4 Process of blast wave action 结合高速摄影画面时间及冲击波压力测试波 形,药包爆炸对试样的破坏主要集中在冲击波及气 泡的第一次脉动作用过程。在作用过程中试样先受 压再受拉，呈现出压拉交替的作用形式。 3.2单轴静压实验分析单轴静压实验分析 采用万能材料试验机对损伤后的试样进行单轴 压缩实验，加载试验机型号为美特斯公司CMT5105 型，量程100 kN,加载速率为0.002 mm/s,得到应力 应变曲线如图5为A组4个试样的单轴压缩应力应 变曲线,曲线呈“ S”型,从曲线形状看主要分为三个 阶段。第一阶段为压密阶段，随着损伤程度的增加, 压密阶段的应变逐渐增大，曲线斜率逐渐减小，说明 损伤微观裂隙随着损伤次数也逐渐增大;第二阶段 为近弹性阶段，从曲线斜率可以看出，随着损伤次数 增加，斜率逐渐减小;第三阶段为达到强度极限值后 的破坏阶段。 如图6,试样在静压作用力下破坏形式为以拉 张为主的脆性破坏,随着损伤次数的增加，试样受损 端出现局部（高约20 mm）崩落导致端面由圆形向 不规则形状变形程度加重。分析其原因，主要在于 药包爆炸产生的冲击波及气泡脉动作用在试样上表 面,在压缩及拉伸的多次交替作用下产生了不同程 度的细微损伤，且损伤随作用次数的增加愈加明显, 导致试样局部发生剪切破坏。 图5单轴压缩”它曲线 Fig . 5 a s curve of uni-axial compression 第37卷第3期司剑峰，钟冬望水下爆炸荷载下类岩石材料的累积损伤试验研究25 15 A组 B组 侧视 A组 B组 」俯视| 上压板 - 下压板 图6单轴压缩实验后试样破坏形式 Fig . 6 Specimen failure mode after uni-axial compression test 3.3累计损伤分析累计损伤分析 根据式1可计算岀各试样损伤变量，如图7。 表1单轴压缩实验数据 Table 1 Experimental data of uniaxial compression 损伤 次数 试样 编号 初始模量/ MPa 弹性模量/抗压强度/ MPaMPa 未损伤 A029462015018. 94 B028382231217. 63 ] A123601616815. 95 B124451487216. 22 3 A32051899511.78 B31963835611.56 5 A562153497. 69 B577257667.87 图7损伤变量随损伤次数变化趋势 Fig . 7 Chang e trend of damag e variable with damag e times 从以上分析可以看出试样的损伤变量均随损伤 次数的增加而增大。人组试样损伤3次后的损伤变 量比1次损伤后的损伤变量增大气帶空x 100 175；5次损伤后的损伤变量比3次损伤 后的损伤变量增大，7q g，55 xl OO 33O同 理,B组的损伤变量增长率分别为91和17。且 人组和〃组损伤次数从3次增加到5次产生的损伤 度均小于损伤次数由1次增加到3次，证明前期损 伤会对后期损伤增长率有抑制,损伤产生积累，可能 产生的原因是前期损伤产生的微观裂隙对能量有一 定的吸收和存储作用。 4结论 1 在本试验条件下,采用高速摄影机拍摄速 率20 000 wfps可以较好记录下气泡脉动过程，通过 分幅处理分析后可得到气泡脉动周期及冲击波和气 泡脉动总作用时间。 2 数采采用100 k采样率可以完整记录水下 冲击波时程曲线,根据可测点峰值及经验公式可粗 略计算爆炸近区冲击波压力峰值。 3 冲击波对试样的作用主要表现为超压力破 坏,气泡脉动则主要表现为压拉交替破坏,主要破坏 周期为前两次脉动。 4 通过对损伤后试样单轴抗压强度和弹性模 量的分析，随着爆破次数的增加试样的损伤变量逐 渐增大，损伤产生积累且前期损伤会对后期损伤增 长率有一定抑制。 参考文献参考文献References [1] 李新平，侯 潘，罗 忆，等白鹤滩水电站地下厂房爆破 累积损伤效应研究[J]爆破,2018,353 14-20,54. [1 ] LI Xin-ping, HOU Pan, LUO Yi, et al. Study on cumula tive damag e effect of blasting in underg round powerhouse of Baihetan Hydropower Station [ J ]. Blasting, 2018 , 353 14-20,54. in Chinese [2] 代显华水下钻孔爆破水中冲击波有害效应对周围环 境影响研究[J].中国水运,2018376-77. [2] DAI Xian-hua. Study on the harmful effects of underwater drilling and blasting on the surrounding environment[ J]. China Water Transport,20183 76-77. in Chinese [3] 金解放.静载荷与循环冲击组合作用下岩石动态力学 特性研究[D ].长沙中南大学,2012. [3] JI N Jie-fang . Study on dynamic mechanical properties of rock under combined static load and cyclic impact [ D]. Chang sha Central South University ,2012. in Chinese [4] 陈亚楠多次爆破振动下岩体开挖累积损伤的研究 [D].淮南安徽理工大学,2016. [4] CHEN Ya-nan. Study on cumulative damag e of rock exca vation under multiple blasting vibration [ D ]. Huainan Anhui University of Technolog y ,2016. in Chinese [5] 李允忠，王志亮,黄佑鹏，等.循环爆破载荷下岩石累 积损伤效应研究[「爆破,2019,36247-53. [5 ] LI Yun-zhong, WANG Zhi-liang, HUANG You-peng, et al. Study on cumulative damag e effect of rock under cyclic blas ting load[ J]. Blasting,2019,362 47-53. in Chinese 下转第46页 46爆破2020年9月 [6] WANG Yu-jie, LI ANG Kai-shui, TI AN Xin-bang . Study on redundant reg ulation of underg round dig g ing blasting vibration of zhouning hydropower station [ J ]・ ・ Chinese Journal of Rock Mechanics and Eng ineering, 2005 22 4111-4114. in Chinese [7] 饶 宇,夏元友湖英国，等预裂缝对爆破振动频谱分布 特征的影响[J] 振动与冲击,2017,367 191-198. [7] RAO Yu,XI A Yuan-you,HU Ying -g uo,et al. I nfluence of pre-splitting crack on spectrum distribution characteristics of blasting vibration [ J ] . Journal of Vibration and Shock, 2017,36刀 191-198. in Chinese [8] 柴修伟不同炸药性能对爆破振动效应的影响[J].爆 炸与冲击,2011,315548-552. [8] CHAI Xiu-wei. Effects of different explosive properties on blast vibration [ J ]. Explosion and Shock Waves, 2011, 315 548-552. in Chinese [9] 张加海，王敬绵,张光德，等.炸药震源激发参数与场 地质点振动响应关系探讨[J].油气地质与采收率， 2010,172 57-59,63,115. [9 ] ZHANG Jia-hai, WANG Jing -jin, ZHANG Guang -de, et al. Relationship between seismic source parameters and particle response [ J ]. Petroleum Geolog y and Recovery Efficiency,2010,172 57-59,63,115. in Chinese [10]李云伟.胶莱地区地震勘探安全距离研究探讨[J]・ ・ 工程地球物理学报,2012,95 587-594. [10] LI Yun-wei. The study of seismic exploration safe dis tance in Jiaolai area[ J]. Chinese Journal of Eng ineering Geophysics ,2012,95 587-594. in Chinese [11] 杨风威，李海波,刘亚群，等台阶与预裂爆破岩体振 动特征的对比研究[J].煤炭学报,2012,3781285- 1291. [11 ] YANG Feng -wei, LI Hai-bo, LI U Ya-qun, et al. Compar ative study on vibration characteristics of rock mass in duced by bench blasting and pre-splitting blasting [ J ]. Journal of China Coal Society,2012,378 1285-1291. in Chinese [12] 周俊汝，卢文波,钟冬望，等.竖向钻孔爆破激发振动 波频率的衰减特征[J]・爆破,2019,36114-20. [12] ZHOU Jun-ru,LU Wen-bo,ZHONG Dong -wang,et al. Attenuation characteristics of vibration frequency in duced by vertical borehole blasting[ J]. Blasting ,2019, 361 14-20. in Chinese 英文编辑柯波 （上接第25页） [6]金解放，李夕兵，邱灿，等.岩石循环冲击损伤演化 模型及静载荷对损伤累积的影响[J].岩石力学与工 程学报,2014,338 1662-1671. [6] JI N Jie-fang, LI Xi-bing , QI U can,et al. Damag e evolution model of rock under cyclic impact and influence of static load on damag e accumulation [ J ]. Journal of Rock Me chanics and Eng ineering, 2014,33 8 1662-1671. in Chinese [7] 李裕春浅层水中冲击波作用下混凝土墩的动态响应 分析[C] 〃中国力学学会爆炸力学专业委员会、中国 土木工程学会防护工程分会.第七届全国工程结构安 全防护学术会议论文集中国力学学会爆炸力学专业 委员会、中国土木工程学会防护工程分会中国力学 学会,200989-94. [7] LI Yu-chun. Dynamic response analysis of concrete pier under shock wave in shallow water [ C ] 〃 Proceeding s of the 7 th National Conference on Safety Protection of Eng i neering Structures. Explosion Mechanics Committee of Chinese Society of Mechanics, Protection Eng ineering Branch of Chinese Society of Civil Eng ineering Chinese Society of Mechanics,2009 89-94. in Chinese [8] 彭亚雄，吴立,李春军，等.水下钻孔爆破水击波特 性及气泡帷幕削压效果研究[J].爆破,2019,361 38-43. [8] PENG Ya-xiong ,WU Li,LI Chun-jun,et al. Study on the characteristics of water hammer wave and the effect of air bubble curtain cutting in underwater drilling blasting [ J]. Blasting,2019,36 1 38-43. in Chinese [9] 王汉鹏，李术才,张强勇，等.新型地质力学模型试验 相似材料的研制[J]・岩石力学与工程学报,20069 1842-1847. [9] WANG Han-peng,LI Shu-cai,ZHANG Qiang -yong,et al. Development of new g eomechanical model test similar ma terials [J]. Journal of Rock Mechanics and Eng ineering, 20069 1842-1847. in Chinese [10] 黄彦华，杨圣奇,刘相如类岩石材料力学特性的试验及 数值模拟研究[J].实验力学,2014,2902 239-249. [10] HUANG Yan-hua, YANG Sheng -qi,LI U Xiang -ni. Ex perimental and numerical simulation of mechanical prop erties of rock like materials [ J ]. Experimental mechan ics,2014,292 239-249. in Chinese [11] 高 玮，汪 磊,杨大勇基于能量原理的岩石损伤 研究[J]・地下空间与工程学报,2010,6S2 1672- 1677. [11 ] GAO Wei, WANG Lei, YANG Da-yong . Study on rock damag e based on energ y principle [J]. Journal of Under g round Space and Eng ineering, 2010, 6 S2 1672- 1677. in Chinese 英文编辑黄刚