岩体爆破形成裂缝的试验与机理研究

1. 采用冲击大电流电爆装置为爆源[38]

为了探讨成缝机理和验证理论计算结果，文献[38]利用冲击大电流电爆炸装置作为爆源，用33.5 mm 厚的大面积有机玻璃板来模拟无限介质中的平面问题（即不考虑边界和自由面对应力波的反射作用。应力波反射产生的拉伸波将会产生层裂破坏和产生由边界向内扩展的裂纹）。这样，我们只需考虑在非耦合装药系数较大时爆炸高压气体的成缝机理。

电爆炸装置是利用整流电路对高压脉冲大电容充电，将电能贮存起来。利用0.01 mm 厚的铝箔卷成筒状来模拟“柱状装药”。当上千安培的冲击大电流瞬间通过爆炸箔时，金属箔立即汽化而产生爆炸。“药孔”及空孔均为5 mm。根据模型试验的照片可作如下的定性分析：

图7-14 是单孔爆炸的药孔布置。试验结果表明，在爆炸生成的高温、高压气体作用下，首先在炮孔壁上形成大量的径向裂纹。但是只有少数几条能扩展很远而形成大的裂缝，可以看到约5 条。而其中有3 条贯穿到3 个不同方向的空孔中去了。（比例距离=25/2.5=10）。这与计算结果表明的、由于应力集中使空孔对裂纹扩展起着导向作用的结论是一致的。爆炸气体将向生成的裂纹中扩散产生劈裂作用使大裂缝进一步扩张。由于应力波的作用和气体压力的降低，大部分细裂纹停止扩展，只在炮孔附近形成破碎性短裂纹[38]。

图7-14　单孔爆炸[38]

2. 采用动光弹方法研究爆炸应力波在导向孔中的分布规律

空孔的导向作用，即在装药孔附近钻有空孔（此空孔在工程上通常叫导向孔），当空孔与炮孔间的距离适当时，就会在空孔方向产生较长的裂缝，这在理论和实验中都已得到了证明。这一技术已被广泛地应用于要求最终开挖壁面比较平整的预裂爆破和光面爆破作用中。但是，由于岩石爆破过程的瞬时性和复杂性，人们对于导向孔的作用主要是由于空孔的存在而引起应力集中还是由于空孔为应力波的反射提供了自由面的认识还远远不够充分。

文献[39]用动光弹方法和多火花照相机记录了爆炸应力波传过炮孔附近的空孔时空孔周围条纹级数的分布（图7-15）、动态动应力集中系数随时间分布（图7-16）、孔空与炮孔连心线上的动力条纹分布（图7-17）。

图7-15　空孔壁上条纹级数的动态分布[39]

图7-16　动态应力集中系数随时间的分布[39]

图7-17　空孔与炮孔连心线上应力条纹的分布[39](www.xing528.com)

文献[39]的作者在数据处理和分析中，在入射波的特性一节中，绘出了t=500 ms 时刻，入射膨胀波相对的应力条纹级数随着离爆源中心距离分布的曲线（图7-18）。此时入射膨胀波最高条纹级数为7 级，主脉冲宽度为32 mm，主脉冲宽度是空孔直径的2.67 倍。压缩脉冲的最高条纹级数是拉伸脉冲的最高条纹级数的2.8 倍。图7-19 给出了最高条纹级数随时间衰减的曲线。其中表7-1 给出了7 个时刻孔壁上最大切向应力出现的位置；表7-2 环形条纹中心离空孔壁的距离随时间的分布。由表7-2 可见，封闭的条纹环随着反射波的传播而向炮孔方向移动，其移动速度大约为1 080 m/s[39]。

图7-18　膨胀波应力条纹级数随距离的分布（t=50 μs）

图7-19　膨胀波最高条纹级数随时间衰减的曲线

表7-1　孔壁上最大切向应力出现的位置[39]

表7-2　环形条纹中心离空孔壁的距离随时间的分布

小结：根据动光弹实验结果分析了入射应力波与圆孔相互作用的机理和动力学特征。文献[39]的作者总结出以下几点认识：

（1）应力波掠过圆孔时，在孔两侧产生压应力集中，最高条纹级数为12 级，最大压应力集中系数为2.18。在孔内侧由反射波叠加而产生的拉应力集中的最高条纹级数为6.5 级，最大拉应力集中系数为13。由于岩石的动态抗拉强度远小于其动态抗压强度，因此，根据动光弹结果可以预报空孔导向作用主要是空孔壁产生反射波与入射波尾的叠加作用。

（2）当入射应力波峰与空孔相互作用时出现压应力集中，应力集中点随着应力波的传播而在空孔壁上移动，当应力波传过空孔后，压应力集中点位于与空孔的炮孔连心线大约成45°角的射线上（该射线始于穿孔的圆心）。

（3）反射波造成的拉应力集中位于炮孔与空孔连心线上，相应的条纹为封闭式条纹环。其位置随着反射应力波的传播而向炮孔方向运动，运动速度与畸变波速度差不多。

（4）反射应力波叠加而成的封闭式条纹出现在应力波与空孔相互作用后大约十几微秒时刻，环形条纹中心距空孔壁的距离与空孔直径差不多，此时应力波的第一个脉冲已反射了大约3/4 波长，该条纹环仅持续了十几微秒。

以上几点对于进一步研究空孔导向作用机理和在采用时差起爆技术时设计最佳爆破参数具有一定的参考价值。