两组无充填物节理对爆炸裂纹扩展的影响研究

王爽WANG Shuang；曾良ZENG Liang；唐春海TANG Chun-hai；苏宇SU Yu；周泰安ZHOU Tai-an；张文龙ZHANG Wen-long

（①广西大学，南宁 530004；②广西工业设计研究院有限公司，南宁 530600）

0 引言

岩石作为工程爆破中主要的爆破对象，研究其力学性能有利于为岩土爆破提供理论基础；自然界中的岩石因其受地质构造、剥蚀风化造成岩石力学性能有极大的改变，其中岩石地质构造能造成岩石裂缝，因此研究有岩石裂缝的岩石爆破对爆破研究有重要作用；基于此，国内外学者有以下研究：杨鑫、蒲传金等利用有机玻璃模型进行实验研究了距离爆源一定距离的单条人工裂缝对爆炸裂纹的影响、人工裂隙与炮孔中心虚线的不同度数对爆炸裂纹扩展的影响、不同宽度的人工裂隙对单炮孔爆炸爆炸裂纹的影响以及含有不同充填物的人工裂隙对爆炸裂纹扩展的影响[1-4]；刘际飞，璩世杰对岩石中不同角度的节理进行研究得出不同角度的节理对应力波、岩体中声波速度有不同影响[5]。胡荣，朱哲明等通过含裂隙有机玻璃模型爆炸实验发现裂隙与炮孔方位对爆生裂纹分布有很大影响[6]。G．W．Ma等利用数值模拟的方法探讨总结了爆炸裂纹扩展与节理裂隙的相互作用的规律[7]。谢冰等研究了不同几何特征裂隙对预裂爆破的影响[8]。万端莹，朱哲明等做了爆炸荷载作用下两平行人工裂纹扩展试验，并通过autodyn模拟研究平行裂纹对爆炸主裂纹的影响[9]。

以上通过实验及模拟对爆炸裂纹的影响研究较为深入，但大多数仅考虑有一组节理的岩石对爆破的影响，而自然界中岩石的裂缝具有多样性的特点，我们需要对多条及多条不同角度的裂缝对爆炸裂纹的影响。因此研究裂缝的数量及角度对爆炸裂纹的影响具有重要意义。

1 实验设计及步骤

H．P．Rommanith等研究表明动载荷作用下有机玻璃的断裂行为和岩石相似[10]，所以本次实验模型采用有机玻璃做为试验介质。

1.1 两组平行节理实验模型

有机玻璃板尺寸为长400mm×宽400mm×厚5mm；在实验模型正中间人工做出直径Ф7mm的炮孔，再在炮孔一侧划出两条宽度为5mm长度为30mm的平行人工节理，为更好与自然中节理相似其两端设置直径5mm的半圆，以防爆炸时人工节理两端出现应力集中，如图1所示。其中△L为炮孔中心距离人工节理最近端的长度，δ为两条裂缝的距离，试验以△L=20mm、30mm、40mm，δ分别为10mm、20mm。

1.2 两组有角度节理实验模型

有机玻璃板尺寸为长400mm×宽400mm×厚5mm；在实验模型正中间人工做出直径Ф7mm的炮孔，再在炮孔一侧划出两条宽度为5mm长度为30mm成一定角度的人工节理，为更好与自然中节理相似其两端设置直径5mm的半圆，以防爆炸时人工节理两端出现应力集中，如图2所示。其中△L为炮孔中心距离人工裂缝最近端的长度，θ为两条裂缝的夹角，试验以△L=20mm、30mm、40mm，θ分别为45°、135°。

图1两组平行节理试验模型

图2两组有角度节理试验模型

为确保炮孔壁和人工节理壁面光滑且垂直薄板表面，两组模型的有机玻璃板、炮孔和人工节理均采用激光加工。

1.3 试验步骤

①撕下有机玻璃保护膜，清理人工节理和炮孔，确保节理、炮孔内无杂物；

②试验选用同批次、电阻值相近的数码电子雷管，模型采用单发8号数码电子爆炸加载；将雷管垂直于模型表面、主装药区同一位置对准模型后安放于炮孔内；

③将玻璃两侧置于试验台上，炮孔雷管正对处不得有阻挡以防爆生气体、雷管金属片反冲导致的玻璃伤裂；

④爆炸后回收模型并分析试验结果。

2 试验结果及分析

两组实验爆炸后有机玻璃模型如图3所示。在分析前给出如下定义；沿炮孔径向扩展、长度小于10m的裂纹称为短裂纹，长度在10-20mm之间的裂纹称为中裂纹，20mm以上的裂纹称为长裂纹；人工裂隙端部产生的爆炸裂纹称为翼裂纹。将与炮孔环向平行的裂纹称为环向裂纹，有节理的一侧划分为Y区，无节理的一侧为N区。以下将10mm、20mm平行间隔裂缝组分别称为10mm组，20mm组；角度为45°、135°两组节理分别称为45°组、135°组。

2.1 爆炸区域划分

在岩石中爆炸时会形成以炸药为中心的由近及远的不同破坏区域，分别称为粉碎区、裂隙区和弹性振动区[10]。由图3可知，试验中这三个区的分界较明显，粉碎区表现为空腔，裂隙区表现为不同长度的裂纹，弹性振动区表现为玻璃未发生破坏，各区的范围经测量为：空腔区直径为27、28mm，为炮孔直径（7mm）的四倍左右，这与理论分析的一致。裂隙区最长裂隙为26-68mm，加上空腔区，裂隙区范围为53-96mm，为炮孔直径的7.6-13.7倍，注意到是裂隙区可以分为两个区域，其破坏特点也有明显区别，在靠近空腔的区域（较小），存在较多的径向裂隙和环向裂隙，使得这个区域破碎较严重，而在该区域以外，则几乎没有环向裂隙。分析其原因，径向裂隙的形成是由于径向压缩，产生了切向拉伸的应变，这种切向拉伸的应变大大超过了有机玻璃的动态抗拉强度，产生了径向裂隙；而环向裂隙则是由于卸载引起的，压缩波作用下，岩石储存部分弹性变形能，压缩波过后，岩石中的压应力解除（卸载），由于岩石具有弹性，弹性变形能释放，引起岩石向心（药包）运动，此为拉应变，在此作用下，岩石中形成环向裂隙。由于本次实验中，炮孔没有填塞，爆轰气体膨胀作用少，所以环向裂隙仅出现在靠近空腔的较小区域内（宽约4-5mm）；如图4。

图4爆炸裂纹分布情况

2.2 爆炸裂纹分析

2.2.1 裂纹数量特征

总数量如图5所示，由图可知，裂纹数量在20-35条之间，10mm组的裂纹总数随△L的增大先增后减，裂纹总数最大值在△L=30mm处，20mm组的裂纹总数随△L的增大而减少。

45°组裂纹数随△L的增大先增后减，裂纹总数最大值在△L=20mm处，135°组裂纹总数随△L的增大而增多。

10mm组中随△L的增加N区短裂纹增多（见图6），而Y区短裂纹减少（见图7），中短裂纹主要集中在N区，长裂纹主要集中在N区。

图6 N区裂纹数量

图7 Y区裂纹数量

从以上特征可知，裂纹总数量与两组节理的角度及节理距炮孔中心的距离有较大联系，N区裂纹数量总数上比Y区多，因理论上球形爆炸在各个方向的能量是一样的，实验中，雷管仅部分在有机玻璃炮孔中且有机玻璃很薄可以看作雷管在有机玻璃的各个方向传播的能量一样，在节理距离炮孔较近，爆炸能量传播到节理端点时因节理的存在其抗拉强度变低，开始产生裂纹，能量降低，因爆炸能量部分作用于节理尖端，所以作用于节理方向近处玻璃的能量有所降低，因而裂纹数量较少。

图3各组试验结果图

图5裂纹总数量

2.2.2 裂纹扩展分析

试验中，两条平行节理与爆炸应力波方向基本平行；两条成角度的节理对爆炸应力波放射较小所以基本不存在层裂裂纹。这与蒲川金、杨鑫实验研究结论一致[1]。

试验中两组成角度节理的两端产生翼裂纹。分析其原因翼裂纹在节理端部产生，由于应力波在节理处反射以或沿着节理传播，在节理端部两侧的应力波相交，并在节理端部形成应力集中，当应力超过玻璃的最大拉应力时开始产生翼裂纹；由表1可知，10mm组、20mm组翼裂纹的数量为2，45°组数量有3、4组，135°组有2、3、4组，因而平行节理对翼裂纹的数量影响不大，有角度的节理对翼裂纹的数量影响大，能增加翼裂纹的数量并有节理相互交叉角度较小时，翼裂纹数量更多，翼裂纹的长度随节理距炮孔中心距离的增加而减少，在△L=40mm时裂纹长度急剧减少。δ对翼裂纹的长度影响不明显，翼裂纹的长度在近处有随△L增大而增长的的趋势，在远处随△L的变化不明显。

有机玻璃中长裂纹主要集中在N区，因N区无节理，爆炸应力波在无节理侧传播没有收到节理阻挡反射。平行组中最长裂纹随节理与炮孔中心的距离减少而增长随节理的距离大小无明显变化，可以看到在节理方向，几乎没有径向裂纹，只有空腔和环向裂缝并在裂缝端点产生翼裂纹，因为裂缝会对应力波产生反射，部分应力波被反射回来，另一部分成为绕射波，与直接作用于端点的压缩波共同作用使端点处产生了裂纹，当合应力小于有机玻璃开裂强度时，裂纹停止扩展。

表1裂纹特征表

3 结论

①炸药爆炸后，在小区域范围内形成爆炸空腔，形成裂隙范围可达炮孔半径的7.6-13.6倍。

②两组平行节理的相互距离以及两组节理与炮孔中心的距离大小对裂纹总数无明显影响，对分区的有人工节理与无人工节理区域的裂纹数量影响较大；翼裂纹是爆炸应力波沿人工节理绕射形成绕射波作用产生的，两组人工节理的相互角度对翼裂纹的总数量无明显影响，翼裂纹的长度与节理距炮孔中心的距离、节理的相互角度有关。

③试验中，模拟了两组节理对爆炸岩石的影响，对有两组节理的岩石工程爆破有一定参考价值，但试验中节理裂缝无填塞物试验不考虑节理裂隙中填塞物对爆炸应力波的影响。