吳立輝，李洪偉，楊賽群，管月強(qiáng)，雷 戰(zhàn)，劉 迪

(1.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，淮南 232000；2.安徽銅陵海螺水泥有限公司，銅陵 244000；3.核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)有限公司，南京 210000)

隨著爆破技術(shù)的進(jìn)步，爆破施工向著更加精細(xì)、高效的方向發(fā)展，這就要求爆破施工對(duì)天然的地質(zhì)條件進(jìn)行有效的利用，如巖體中的層理、節(jié)理、裂隙等。目前，眾多學(xué)者對(duì)巖石節(jié)理裂隙在爆破條件下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究較多，成果豐碩[1-4]。但對(duì)巖體中軟弱夾層的研究較少，尤其是軟弱夾層對(duì)巖石爆破裂紋擴(kuò)展規(guī)律影響的研究。爆破施工中軟弱夾層極大的影響了爆生裂紋的擴(kuò)展，使爆破無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，更會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故，如隧道爆破巖體中的軟弱夾層會(huì)導(dǎo)致隧道周邊輪廓的超欠挖；邊坡巖體內(nèi)存在軟弱夾層會(huì)導(dǎo)致斜坡崩滑失穩(wěn)。因此，對(duì)含有軟弱夾層巖體爆破裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究，將對(duì)隧道掘進(jìn)、邊坡控制有重要意義。

其中，張運(yùn)良，孫寧新等利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，從爆炸應(yīng)力波的傳播和爆生氣體的楔入兩個(gè)方面對(duì)含軟弱夾層的隧道爆破機(jī)理進(jìn)行模擬推演[5]，得到不同軟弱夾層賦存狀態(tài)下隧道爆破成型輪廓分布圖式。徐葉勤，李梅等利用CASRock軟件[6]，分析了爆炸荷載作用下軟弱夾層與隧道距離和軟弱夾層傾角對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，得出軟弱夾層越靠近隧道邊界產(chǎn)生的影響越大，軟弱夾層傾角對(duì)隧道圍巖的影響程度隨角度增長(zhǎng)先增大后減小的結(jié)論。杜瑞鋒，斐向軍等通過(guò)進(jìn)行含軟弱夾層的混凝土模型爆破實(shí)驗(yàn)，利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)爆破地震波進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析[7]，得出軟弱夾層具有“吸能”和“減震”效應(yīng)，并構(gòu)建爆破地震波作用下含軟弱夾層邊坡的宏觀受力模型，分析了邊坡在爆破地震波作用下的滑動(dòng)機(jī)理。張繼春，肖正學(xué)等通過(guò)進(jìn)行含軟弱夾層的混凝土模型爆破試驗(yàn)[8]，利用高速攝像觀測(cè)爆破過(guò)程中夾層土的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得到了不同炮孔裝藥量、夾層土含水率和最小抵抗線條件下夾層土的運(yùn)動(dòng)特征及其變化規(guī)律。張繼春，宋小林等利用有限元軟件LS-DYNA，得到了深孔爆破時(shí)巖體中軟弱層內(nèi)的爆腔半徑隨軟弱層厚度、傾角、炮孔直徑、裝藥量和裝藥量長(zhǎng)徑比的變化規(guī)律[9]。

以上研究從理論計(jì)算、數(shù)值模擬和炮孔與軟弱夾層相交的角度出發(fā)，對(duì)爆炸過(guò)程中軟弱夾層的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行研究，著重于軟弱夾層對(duì)隧道和山體邊坡穩(wěn)定性的分析，為工程實(shí)踐提供了重要的參考價(jià)值，但均未考慮軟弱夾層與炮孔平行時(shí)對(duì)巖石爆炸裂紋擴(kuò)展規(guī)律的影響。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)制作含有軟弱夾層的水泥砂漿試塊，對(duì)含不同軟弱夾層的試塊爆破裂紋擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行研究，利用高速攝影儀和超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，對(duì)試塊爆破裂紋擴(kuò)展過(guò)程和內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變變化過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)分析，得出相應(yīng)規(guī)律，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 模型建立

實(shí)驗(yàn)水泥砂漿模型制作材料及其質(zhì)量配比為：水泥∶河沙∶水=1∶2∶0.7，模型制作過(guò)程中預(yù)留夾層縫隙，待混凝土凝固后灌注夾層材料?？紤]到裝藥直徑、炮孔深度及模型制作難易程度，模型尺寸設(shè)計(jì)為：40×40×36 cm(A×B×H)，孔徑(d)8 mm，裝藥高度(L1)10 cm，填塞高度(L2)5 cm，軟弱層尺寸：1×30×26 cm(a×b×h)，軟弱夾層距炮孔10 cm，軟弱夾層兩端距自由面(L)5 cm，如圖1所示。

圖 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 1 Test model

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

軟弱夾層多是由碎石、巖屑、泥土等，經(jīng)風(fēng)化及水蝕作用形成的具有一定厚度和強(qiáng)度的填塞物，一般比較潮濕，塑性高，抗拉、抗壓、剪切強(qiáng)度都很小[10]。因此，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)試塊中軟弱夾層材料分別為：(1)泥土和石子；(2)泥土；(3)水。每次實(shí)驗(yàn)采用單發(fā)瞬發(fā)電雷管，裝藥量為0.6 g RDX，堵塞材料為自制炮泥。其中，水泥砂漿試塊參數(shù)如表1所示[11]。

表 1 水泥砂漿試塊相關(guān)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)思路

本實(shí)驗(yàn)意在通過(guò)觀察含軟弱夾層的水泥砂漿試塊爆破裂紋擴(kuò)展過(guò)程，分析研究得到不同軟弱夾層材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，為含軟弱夾層的巖石爆破工程提供一定指導(dǎo)。為此實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)如下：(1)同一試塊炮孔兩側(cè)(軟弱夾層靠近炮孔側(cè)和完整側(cè))裂紋擴(kuò)展規(guī)律對(duì)比分析；(2)含不同軟弱夾層的試塊之間裂紋擴(kuò)展規(guī)律對(duì)比分析。

1.4 試塊應(yīng)變測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量爆破過(guò)程中試塊受到的徑向應(yīng)變[12-14]。超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀主要是將電路中由爆炸應(yīng)力波傳播引起的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是電壓和時(shí)間的變化關(guān)系曲線。把記錄下來(lái)的電壓與時(shí)間之間變化關(guān)系，通過(guò)轉(zhuǎn)換變成應(yīng)力或應(yīng)變和時(shí)間之間的關(guān)系。其轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

(1)

式中：ε為換算后的應(yīng)變值；U0為測(cè)得時(shí)程曲線上的電壓值，V；k為應(yīng)變片靈敏系數(shù)；A為增益；U1為設(shè)定橋壓值，V；σ為換算后的應(yīng)力值，MPa；E為試塊的彈性模量，GPa。

若巖體視為均質(zhì)體，則爆炸沖擊波壓力衰減規(guī)律為[15]

(2)

為了盡可能采集到更多數(shù)據(jù)和保證一定的精確度，超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀選用的采樣率為10 000 kHz，采樣長(zhǎng)度為160 K，橋壓大小設(shè)置為4 V，增益設(shè)置為100。具體應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的位置分布如圖2所示。

圖 2 應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)分布(單位：m)Fig. 2 Distribution of strain measurement points(unit:m)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試塊裂紋擴(kuò)展分析

為了更加清晰直觀的觀察試塊在炸藥爆炸作用下裂紋的擴(kuò)展情況，采用日本生產(chǎn)的Memrecam HX-3型高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝(見(jiàn)圖3)，實(shí)驗(yàn)選用拍攝幀率為10000幅/s；分辨率640×640 PPI；拍攝時(shí)間2.4 s，定義第一張出現(xiàn)裂紋照片的前一張照片時(shí)間為t=0 ms。

圖 3 Memrecam HX-3型高速攝像機(jī)Fig. 3 Memrecam HX-3 high speed camera

工況1：軟弱夾層為泥土和石子的試塊裂紋擴(kuò)展情況，如圖4所示(注：圖4、5、6中裂紋標(biāo)注線均為裂紋起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的連線)。

由圖4可得出，爆炸過(guò)程中，共形成11條主裂紋和若干條次裂紋[16,17]。t=0.1 ms時(shí)，炮孔壁在爆炸沖擊波徑向壓縮產(chǎn)生的切向拉伸作用下生成4條裂紋(裂紋1、2、3、4)，其中裂紋1、2受軟弱夾層側(cè)爆炸應(yīng)力波反射拉伸影響[18]，裂紋擴(kuò)展速度較裂紋3、4更快。t=0.4 ms時(shí)，生成裂紋5、6、6′、7、8，其中裂紋5在軟弱夾層側(cè)爆炸應(yīng)力波反射拉伸和爆生氣體楔入的共同作用下產(chǎn)生；裂紋6′、7在爆炸應(yīng)力波反射拉伸作用下產(chǎn)生并從自由面向炮孔方向擴(kuò)展；裂紋6在爆炸應(yīng)力波壓縮和爆生氣體楔入的共同作用下產(chǎn)生并與裂紋6′相對(duì)發(fā)展；裂紋8在爆炸應(yīng)力波反射和繞射產(chǎn)生的拉伸作用下產(chǎn)生[19]。t=0.8 ms時(shí)，生成裂紋2′、9、10，其中裂紋10受爆炸應(yīng)力波反射拉伸作用在自由面產(chǎn)生微裂紋，再經(jīng)爆炸沖擊與地面碰撞使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大；裂紋2′產(chǎn)生原因與裂紋5相同；裂紋9產(chǎn)生原因與裂紋8相同。t=1.6 ms時(shí)，生成的裂紋11與裂紋10原因相同。t=∞時(shí)，生成若干條次裂紋，分析為爆生氣體楔入裂縫、膨脹導(dǎo)致試塊位移產(chǎn)生的拉伸裂紋。

圖 4 軟弱夾層為泥土和石子的試塊裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig. 4 The crack propagation process of the test block with soil and stones as the weak interlayer

工況2：軟弱夾層為泥土的試塊裂紋擴(kuò)展情況，如圖5所示。

圖 5 軟弱夾層為泥土的試塊裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig. 5 The crack propagation process of the test block with soil as the weak interlayer

由圖5可得出，爆炸過(guò)程中，共形成7條主裂紋和若干條次裂紋。t=0.1 ms時(shí)，炮孔壁在爆炸沖擊波徑向壓縮產(chǎn)生的切向拉伸作用下生成2條裂紋(裂紋1、2)，其中裂紋1受軟弱夾層側(cè)爆炸應(yīng)力波反射拉伸影響，裂紋擴(kuò)展速度較裂紋2更快；另外，在爆炸應(yīng)力波反射拉伸和繞射產(chǎn)生的拉伸作用下生成裂紋3。t=0.3 ms時(shí)，生成裂紋4、5、6，其中裂紋4、5先受軟弱夾層側(cè)爆炸應(yīng)力波反射拉伸作用形成微裂紋，再經(jīng)爆炸氣體楔入加速擴(kuò)展；裂紋6產(chǎn)生原因與裂紋3相同。t=0.7 ms時(shí)，生成的裂紋7與裂紋5原因相同。t=∞時(shí)，生成若干條次裂紋，分析為爆生氣體楔入裂縫、膨脹導(dǎo)致試塊位移產(chǎn)生的拉裂紋。

工況3：軟弱夾層為水的試塊裂紋擴(kuò)展情況，如圖6所示。

圖 6 軟弱夾層為水的試塊裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig. 6 The crack propagation process of the test block with water as the weak interlayer

由圖6可知，爆炸過(guò)程共形成11條主裂紋和若干條次裂紋。t=0.1 ms時(shí)，炮孔壁在爆炸沖擊波徑向壓縮產(chǎn)生的切向拉伸作用下生成5條裂紋(裂紋1、2、3、4、5)，其中裂紋1、2受爆炸應(yīng)力波反射拉伸影響，裂紋擴(kuò)展速度較裂紋3、4、5更快。t=0.2 ms時(shí)，在爆炸應(yīng)力波反射和繞射產(chǎn)生的拉伸作用下生成裂紋6。t=0.5 ms時(shí)，生成裂紋3′、4′、7、8、9、10，其中裂紋3′在爆炸應(yīng)力波反射疊加產(chǎn)生的拉伸作用下產(chǎn)生；裂紋4′、10在爆炸應(yīng)力波反射拉伸作用下產(chǎn)生并從自由面向炮孔方向擴(kuò)展；裂紋8、9在爆炸應(yīng)力波反射拉伸和爆炸氣體楔入的共同作用下產(chǎn)生；裂紋7產(chǎn)生原因與裂紋6相同。t=1.1 ms時(shí)，裂紋11在爆炸應(yīng)力波反射拉伸作用下從自由面向軟弱層端部擴(kuò)展。t=∞時(shí)，生成若干條次裂紋，分析為爆生氣體楔入裂縫、膨脹導(dǎo)致試塊位移產(chǎn)生的拉裂紋。

工況1、2、3相互比較可知，工況3軟弱夾層靠近炮孔側(cè)裂紋擴(kuò)展最充分，工況2次之，工況1最差。分析認(rèn)為三種軟弱夾層材料的不可壓縮性由大到小分別為：泥土和石子>泥土>水，所以爆炸過(guò)程中軟弱夾層側(cè)所受夾制作用也由大到小，軟弱夾層為水時(shí)更易破壞，爆生氣體的楔入阻力最小，裂紋擴(kuò)展也最充分。另外，工況1相較于工況2、3，軟弱夾層靠近自由面?zhèn)扔辛鸭y擴(kuò)展，分析認(rèn)為軟弱夾層強(qiáng)度越高，爆炸應(yīng)力波透射系數(shù)越大[15]，透射應(yīng)力波越強(qiáng)，透射應(yīng)力波在自由面反射拉伸越容易產(chǎn)生裂紋，這說(shuō)明軟弱夾層具有阻止裂紋擴(kuò)展的效果，軟弱夾層強(qiáng)度越低，止裂效果越明顯。

經(jīng)測(cè)量，水泥砂漿試塊的縱波速度為2557 m/s，試塊裂紋擴(kuò)展速度v如表2所示。

表 2 水泥砂漿試塊裂紋擴(kuò)展速度

由表2可得，工況1軟弱夾層靠近炮孔側(cè)裂紋平均擴(kuò)展速度為920.4 m/s，翼裂紋平均擴(kuò)展速度為131.1 m/s；工況2軟弱夾層靠近炮孔側(cè)裂紋平均擴(kuò)展速度為1140.3 m/s，翼裂紋平均擴(kuò)展速度為229.5 m/s；工況3軟弱夾層靠近炮孔側(cè)裂紋平均擴(kuò)展速度為1228.2 m/s，翼裂紋平均擴(kuò)展速度為438.6 m/s；試塊完整側(cè)裂紋平均擴(kuò)展速度為697.4 m/s，具體如下圖7。

圖 7 水泥砂漿試塊裂紋平均擴(kuò)展速度Fig. 7 Average crack propagation velocity of cement mortar test block

由圖7可看出，同一試塊，軟弱夾層靠近炮孔側(cè)裂紋擴(kuò)展速度大于完整側(cè)；不同試塊之間，隨著軟弱夾層強(qiáng)度的降低，軟弱夾層靠近炮孔側(cè)裂紋(包括翼裂紋)擴(kuò)展速度逐漸增加；其中，工況3軟弱夾層靠近炮孔側(cè)裂紋擴(kuò)展速度最大，工況1軟弱夾層靠近炮孔側(cè)裂紋擴(kuò)展速度最小。根據(jù)一維彈性應(yīng)力波在不同介質(zhì)界面上透射波系數(shù)T與反射波系數(shù)F之間的關(guān)系(1+F=T)可知[15]：軟弱夾層強(qiáng)度越低，其波阻抗越小，反射系數(shù)F(負(fù)數(shù))越小，則反射應(yīng)力波強(qiáng)度越大，裂紋擴(kuò)展速度越快。

在裂紋擴(kuò)展速度研究上，莫特(Mott)認(rèn)為[20]，當(dāng)加載達(dá)到格里菲斯(Griffith)極限狀態(tài)時(shí)，裂紋擴(kuò)展速度和物體內(nèi)的音速相比要“小”，得出泊松比μ=0.25時(shí)的裂紋擴(kuò)展速度表達(dá)式

(3)

式中：V為裂紋擴(kuò)展速度；Cp為介質(zhì)中的縱波速度；a0為初始裂紋長(zhǎng)度；a為擴(kuò)展后的裂紋長(zhǎng)度。由上式可知，裂紋擴(kuò)展速度存在一個(gè)極限值，即Vmax=0.38Cp。

2.2 試塊應(yīng)力應(yīng)變分析

將超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀記錄下來(lái)的爆炸應(yīng)力波電壓與時(shí)間變化關(guān)系數(shù)據(jù)，通公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得爆炸應(yīng)力波徑向應(yīng)力和時(shí)間變化的關(guān)系曲線，選取其中典型波形進(jìn)行分析，如下圖8，其中，正號(hào)表示拉應(yīng)力，負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力，所測(cè)波形未經(jīng)濾波處理。

由圖8可知，含不同軟弱夾層試塊的爆炸應(yīng)力波應(yīng)力峰值隨著距離的增加而逐漸降低。軟弱夾層分別為泥土和石子、泥土、水的試塊爆炸應(yīng)力波從開(kāi)始波動(dòng)至完全衰減的作用時(shí)間分別為12 μs、17 μs、10 μs；其中，圖8(b)相較于圖8(a)、圖8(c)，爆炸應(yīng)力波最后經(jīng)歷一次較小的拉伸波動(dòng)，波動(dòng)明顯[21]，結(jié)合軟弱夾層為泥土的試塊爆破裂紋擴(kuò)展規(guī)律分析：試塊爆炸瞬間產(chǎn)生爆炸沖擊波(應(yīng)力波)壓縮孔壁(試塊)產(chǎn)生裂紋1、2，裂紋1、2擴(kuò)展路徑經(jīng)過(guò)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)1、2、5、7，爆生氣體楔入使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)生拉伸應(yīng)力波動(dòng)，裂紋擴(kuò)展過(guò)程與應(yīng)力波曲線圖相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明爆炸裂紋擴(kuò)展過(guò)程是爆炸應(yīng)力波和爆生氣體的綜合作用。

圖 8 各試塊徑向應(yīng)力和時(shí)間之間的關(guān)系曲線Fig. 8 The relationship curve between radial stress and time of each test block

圖 9 含不同軟弱夾層試塊應(yīng)力波衰減系數(shù)Fig. 9 Stress wave attenuation coefficient of test blocks with different weak interlayers

對(duì)試塊應(yīng)變測(cè)得的峰值電壓數(shù)據(jù)經(jīng)公式(1)、(2)整理，如表3所示。

通過(guò)表3可知，試塊各測(cè)點(diǎn)峰值應(yīng)變值在0.0178～0.0640之間，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力為49.9～179.2 MPa。另外，可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：(1)各通道應(yīng)變值和應(yīng)力值按大小排序?yàn)椋和ǖ?、2>3、5>6、7；(2)各通道應(yīng)力波衰減系數(shù)按大小排序?yàn)椋和ǖ?、2>6、7>3、5，如圖9所示；(3)各試塊炮孔兩側(cè)應(yīng)力波衰減系數(shù)差值之比排序?yàn)椋?.926>0.840>0.657(泥土和石子>泥土>水)。由圖2可知，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2距炮孔均為8 cm，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)5距炮孔均為12 cm，測(cè)點(diǎn)6和測(cè)點(diǎn)7距炮孔均為18 cm，結(jié)合表3數(shù)據(jù)規(guī)律說(shuō)明：隨著距離的增大，爆炸應(yīng)力波峰值在衰減的同時(shí)，應(yīng)力波衰減系數(shù)在一定范圍內(nèi)先減小后增加，即在一定范圍內(nèi)應(yīng)力波衰減速度隨距離的增大呈先大后小，再由小到大的趨勢(shì)。另外，試塊炮孔兩側(cè)應(yīng)力波衰減系數(shù)差值之比越來(lái)越小，說(shuō)明軟弱夾層強(qiáng)度越低，爆炸應(yīng)力波穿過(guò)軟弱夾層后衰減越快，根據(jù)一維彈性應(yīng)力波在不同介質(zhì)界面上透射波系數(shù)T與反射波系數(shù)F之間的關(guān)系(1+F=T)可知：軟弱夾層強(qiáng)度越低，其波阻抗越小、反射系數(shù)F(負(fù)數(shù))越小、透射系數(shù)T(正數(shù))越小，則透射應(yīng)力波強(qiáng)度越小，應(yīng)力波衰減幅度越明顯。

3 結(jié)論

(1)同一試塊，軟弱夾層靠近炮孔側(cè)裂紋擴(kuò)展速度比完整側(cè)更快；不同試塊之間，隨著軟弱夾層強(qiáng)度的降低，靠近軟弱夾層側(cè)的炮孔裂紋擴(kuò)展速度越快、裂紋擴(kuò)展越充分。同時(shí)，軟弱夾層具有阻止裂紋擴(kuò)展的效果，軟弱夾層強(qiáng)度越低，止裂效果越明顯；軟弱夾層兩端生成翼裂紋，軟弱夾層強(qiáng)度越低，翼裂紋擴(kuò)展速度越快。

(2)試塊各測(cè)點(diǎn)的峰值應(yīng)變值在0.0178～0.0640間，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力為49.9～179.2 MPa，且隨著距離的增大，應(yīng)力波衰減速度在一定范圍內(nèi)呈先大后小再由小到大的趨勢(shì)；軟弱夾層強(qiáng)度越低，爆炸應(yīng)力波衰減越快。

(3)隨著軟弱夾層強(qiáng)度的變化，軟弱夾層靠近炮孔側(cè)裂紋擴(kuò)展速度和應(yīng)力波衰減速度有較強(qiáng)的相關(guān)性，軟弱夾層側(cè)裂紋擴(kuò)展速度越快，應(yīng)力波衰減速度越快。

表 3 試塊應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)