爆炸荷載對鄰近巷道背爆側(cè)裂紋的影響規(guī)律

郭東明,劉 康,楊仁樹,周寶威,王漢軍

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;2.中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083;3.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院建筑與測繪工程學院,北京 100042)

爆炸荷載對鄰近巷道背爆側(cè)裂紋的影響規(guī)律

郭東明1,2,劉 康1,楊仁樹1,2,周寶威1,王漢軍3

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;2.中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083;3.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院建筑與測繪工程學院,北京 100042)

為了探究爆炸應力波對鄰近巷道背爆側(cè)隱性裂紋的影響規(guī)律,采用爆炸加載透射式動態(tài)焦散線系統(tǒng),進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明:在爆炸荷載作用下,鄰近巷道圍巖中存在裂紋缺陷的背爆側(cè)也成為主要擾動區(qū),且擾動大小與裂紋距巷道距離和裂紋長度有關(guān);當裂紋長度為5 mm,裂紋與巷道間距分別為2,3,4和5 mm時,裂紋擴展過程中動態(tài)應力強度因子變化曲線呈現(xiàn)相似的規(guī)律,即當裂紋與巷道貫穿后快速增大到第1峰值,然后在峰值上下持續(xù)振蕩一段時間后減小到0,所不同的是,在峰值上下振蕩性變化的持續(xù)時間和期間的最大值逐漸減小,最大值依次為1.651,1.572,1.419和1.346 MN/m3/2,這決定了裂紋遠端的最終擴展位移對應為25.197,16.378, 10.236和5.984 mm,呈逐漸減小的規(guī)律;裂紋與巷道間距的存在不僅對裂紋的擴展有一定的延遲作用,而且削弱了作用于裂紋遠端的應力波能,并且這種延遲和削弱作用隨裂紋與巷道間距的增大逐漸增強。

爆炸荷載;鄰近巷道;背爆側(cè);裂紋缺陷;動態(tài)應力強度因子

煤礦由于生產(chǎn)需要,往往采用雙巷或多巷平行布置,在掘進中新開挖巷道爆破施工常常對鄰近巷道產(chǎn)生擾動作用,特別間距較小時,這種擾動現(xiàn)象尤其明顯,甚至造成巷道失穩(wěn)破壞,誘發(fā)沖擊地壓[1-2]。針對該問題,許多學者進行了大量的研究,如在理論研究方面,蓋秉政、劉殿魁[3-4]等將爆炸應力波在傳播過程中與地下結(jié)構(gòu)物相互作用的問題看作無限介質(zhì)中彈性波在孔洞周邊繞射所引起的動應力集中問題,并采用復變函數(shù)方法進行了分析;在經(jīng)驗判據(jù)法[5]方面,國內(nèi)外許多學者從工程實際出發(fā),通過資料分析和工程類比提出了安全距離估算法、質(zhì)點速度法和應力應變幅值法等方法;在動態(tài)有限元方面,劉慧、楊年華、彭道富等[6-8]通過現(xiàn)場實測和動態(tài)有限元分析,研究了近距離爆破對隧道周邊振動場分布影響的分析,得出迎爆側(cè)是最大振動加速度區(qū),而背爆側(cè)振動相對較輕;吳亮、鐘冬望等[9-10]采用動力有限元法對爆破載荷作用下鄰近隧道混凝土襯砌的質(zhì)點加速度和應力分布情況進行了計算分析。畢繼紅、鐘建輝[11]采用ANSYS軟件分別就不同圍巖類型、不同隧道間距情況下既有隧道受鄰近隧道爆破振動的影響進行研究。

但是上述研究大多未考慮巷道圍巖中的缺陷影響[12],且認為爆破荷載作用下,鄰近巷道迎爆側(cè)是主要擾動區(qū),然而通過實驗發(fā)現(xiàn),當巷道背爆側(cè)存在隱性裂紋缺陷時,缺陷處也往往成為主要擾動區(qū)[13],尤其實際巷道圍巖中存在著大量的隱性缺陷,如裂隙、孔洞和節(jié)理等,當鄰近巷道爆破施工時,這些缺陷可能在應力波作用下相互貫穿,引起局部坍塌,甚至造成沖擊災害,成為影響巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。許多學者針對常見的裂紋缺陷進行了爆炸載荷作用影響的實驗研究,如楊仁樹[14-16]、李清[17-18]、姚學峰[19]等采用焦散線實驗室方法研究了爆炸應力波作用下裂紋的擴展規(guī)律;而目前關(guān)于爆炸荷載對鄰近巷道圍巖缺陷影響的研究仍很少,有待進一步探索和深入。由于爆炸應力波通過繞射到達背爆側(cè),如果從波的傳播角度分析,問題將變得非常復雜,而焦散線方法[20]是從實驗應力分析中發(fā)展起來的直接測量裂紋尖端奇異場參數(shù)的方法,避開了這種復雜性。因此,本文采用透射式動態(tài)焦散線方法研究了鄰近巷道爆破施工對已挖巷道圍巖中隱性裂紋缺陷的影響,并結(jié)合動態(tài)斷裂力學參數(shù)進行了分析。

1 爆炸加載數(shù)字激光動焦散試驗

1.1 動態(tài)焦散線法

1.1.1 動態(tài)焦散線成像原理

當裂紋缺陷受到爆炸應力波作用時,裂紋尖端出現(xiàn)應力集中,尖端及其附近的試件厚度發(fā)生改變,折射率也隨之改變,此時,當一束平行光透射過該區(qū)域時,由于折射率的改變,出射光偏離平行位置,如果在某一位置放置一個與試件平行的參考平面,可看到一個亮線包圍著的暗區(qū),這條亮線稱為焦散曲線,暗區(qū)稱為焦散斑,由于預制裂紋傾斜且施加荷載為爆炸荷載,所以焦散曲線為Ⅱ型裂紋焦散線,焦散線成像原理如圖1所示。

圖1 焦散線成像示意Fig.1 Schematic diagram of caustics formation

1.1.2 裂紋擴展位移與裂紋擴展速度的確定

通過高速攝影儀可以采集到裂紋擴展過程的系列圖片,每個圖片對應于某時刻裂紋擴展位置,以焦散斑中心位置代表裂紋尖端位置,相鄰圖片裂紋尖端位移差表示該時間間隔位移,該間隔位移除以間隔時間可得到裂紋擴展的平均速度。

1.1.3 裂紋尖端動態(tài)應力強度因子的確定

動態(tài)應力強度因子與裂紋尖端應力場大小呈正相關(guān),反映了裂紋尖端應力集中程度的大小,通過高速攝影儀拍攝的系列圖片可測得焦散斑的直徑Dmax和Dmin,從而計算出裂紋尖端動態(tài)應力強度因子,復合型擴展裂紋尖端的KdⅠ和KdⅡ表達式為

1.2 爆炸加載透射式動態(tài)焦散線系統(tǒng)

該光路系統(tǒng)[21]由激光發(fā)射器、擴束鏡、平凸鏡、高速攝影機等組成,如圖2所示。

圖2 透射式焦散線試驗系統(tǒng)光路Fig.2 Schematic diagram of transmissioncaustics experimental system

激光具有高亮度、方向性好以及單色性好等特點,能為實驗系統(tǒng)提供穩(wěn)定高亮的點光源,當點光源經(jīng)過擴束鏡發(fā)散和平凸鏡1的轉(zhuǎn)化后,變?yōu)槠叫泄馊肷涞皆嚰氨砻?當爆炸產(chǎn)生的應力波繞射到預制裂紋處時,裂紋尖端附近應力集中區(qū)域發(fā)生復雜的變形,其折射率改變,從試件后表面出射的光發(fā)生偏轉(zhuǎn),然后經(jīng)平凸鏡2匯聚作用進入高速攝影機鏡頭,從而得到裂紋擴展過程中的數(shù)碼照片。

2 試驗模型的加工

由于巖石材料的脆性,在模型的加工過程中,極易造成不必要的擾動損傷,影響實驗規(guī)律的研究,且以當前的實驗設(shè)備和技術(shù)進行巖石類材料相關(guān)的反射式焦散線實驗很難取得理想的結(jié)果,雖然有機玻璃與巖石材料的力學參數(shù)存在差異,不易進行相似比較,但通過有機玻璃板的模擬能夠客觀上反映巷道爆破開挖對鄰近巷道圍巖裂紋缺陷擾動的機理,為以后巖石類材料的研究奠定實驗基礎(chǔ);另外,采用的透射式動態(tài)焦散線方法要求實驗材料具有較高的透光率,因此本實驗采用了具有一定塑性和較高透光率的有機玻璃板作為模型材料進行研究。試驗模型規(guī)格為300 mm×300 mm×5 mm。有機玻璃的動態(tài)力學參數(shù):縱波波速CP=2 320 m/s,剪切波波速CS=1 260 m/s,動態(tài)彈性模量Ed=6.1 GN/m2,動態(tài)泊松比νd= 0.31,動態(tài)應力光學常數(shù)|Ct|=85 μm2/N。

模型要求:在板中部加工貫通的直墻拱形巷道,巷道下部為40 mm×20 mm的半矩形,上部為半徑20 mm的半圓頂,以此模擬鄰近已挖巷道;巷道右側(cè)預制傾斜裂紋,通過實驗發(fā)現(xiàn),位于背爆側(cè)直墻頂與拱形斷面交點處的裂紋擴展位移最大,故預制的傾斜裂紋設(shè)置在該最不利位置處,同時也保證了現(xiàn)象易于對比分析,裂紋長度為W,裂紋傾角為30°,且裂紋左下部尖端距巷道水平距離為L,由于裂紋在巷道內(nèi)部不可見,故可稱為隱性裂紋,并稱隱性裂紋左下部的尖端為A端或近端,右上部尖端為B端或遠端,以此模擬巷道圍巖缺陷;在巷道左邊加工炮孔,以此模擬鄰近巷道爆破,根據(jù)多次試驗效果,選定炮孔距巷道中心45 mm,在炮孔內(nèi)裝入145 mg疊氮化鉛單質(zhì)炸藥,以此模擬鄰近巷道爆破。試驗模型如圖3所示。

圖3 模型加工示意Fig.3 Schematic diagram of model processing

另外,本實驗為對比實驗,實驗的變量分別為裂紋長度W和裂紋與巷道間距L,故需要保證其他條件一致,包括巷道尺寸,鄰近巷道間距,巷道邊界條件,炮孔尺寸和炸藥量等,而對于像邊界條件等模擬時無法與實際相仿的情況,只需要保證每次實驗一致即可。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

表1裂紋B端最終擴展位移值是通過高速攝影儀拍攝的照片測得的,從表中可看出,當預制裂紋長度W=3 mm或5 mm時,在爆炸應力波作用下,裂紋B端的擴展位移均隨著預制裂紋A端距巷道背爆側(cè)壁的距離L的增大而減小,當L增大到某一值,裂紋不再擴展。而當L值固定,裂紋長度W增大時,裂紋B端的擴展位移逐漸增大,但隨著裂紋長度的增大,裂紋擴展所需的反射拉伸力也將增大,由于所用炸藥量相同,因此,這種現(xiàn)象只發(fā)生在某個W值內(nèi),當W大于該值時,裂紋B端擴展位移也將逐漸減小,最終,裂紋將不再擴展。

表1 爆炸荷載作用下裂紋B端的最終擴展位移DTable 1 Eventually expand displacement D of crack B tip under explosion loadmm

由于當W=3 mm和W=5 mm時的裂紋B端最終擴展位移規(guī)律相同,下面以W=5 mm為例進行分析。

從圖4可看出,當L改變時,在爆炸應力波作用下,裂紋A端均與巷道背爆側(cè)貫穿,裂紋B端擴展初始階段,均沿預制裂紋傾角30°方向擴展,然后逐漸趨于水平,所不同的是,當L=2 mm時,裂紋擴展趨于水平的時間較長,且最后裂紋向下翹曲,當L= 3 mm和L=4 mm時,很快趨于水平,當L=5 mm時,裂紋最終方向仍是傾斜的,但傾角變小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因為:當應力波繞射到裂紋處時,會發(fā)生反射,產(chǎn)生垂直于裂紋傾向的反向拉伸力,使裂紋沿30°方向擴展,當L越小時,裂紋A端與巷道貫穿后,裂紋所受反射拉伸力就越大,沿30°擴展的慣性力就越大,所以當L=2 mm時,裂紋擴展位移最大,然而當應力波繞射過巷道后又會繼續(xù)向右傳播,產(chǎn)生垂直于應力波傳播方向的拉伸力,所以裂紋擴展最后總是趨于水平或沿水平擴展。

圖4 爆炸荷載作用下長5 mm預制裂紋L改變時的裂紋擴展實驗結(jié)果Fig.4 Experimental results of 5 mm prefabricated crack with L ranging under the explosion load

綜上所述,隨著L的增大,在爆炸荷載作用下,隱性裂紋B端的最終擴展位移逐漸減小,另外,從圖4中可看出,爆破荷載作用的主要擾動區(qū)除了巷道的迎爆側(cè)和背爆側(cè)圍巖中缺陷處,右下部的墻角點處也出現(xiàn)了裂紋擴展,成為主要的擾動區(qū),只是由于實驗材料的加工或者本身的因素,裂紋擴展的長度有所不同。

3.2 間距L的存在對裂紋B端擴展的影響規(guī)律

在實驗中,惟一的變量為L,也意味著正是L的改變導致了裂紋B端擴展位移的不同,首先從L的存在對于預制裂紋B端裂紋擴展的影響出發(fā)進行分析,圖5為L=3 mm時高速攝影儀拍攝的系列圖片。

圖5 當L=3 mm時高速攝影儀拍攝的裂紋擴展系列圖Fig.5 Series figures of crack growth by high-speed camera shooting with L=3 mm

從圖5可看出,當t=53.33 μs時,應力波開始作用于裂紋,當t=60 μs時,裂紋兩端出現(xiàn)焦散斑,當t=153.33 μs,可看到裂紋A端焦散斑消失,并在巷道側(cè)壁上出現(xiàn)黑色陰影,說明裂紋A端接觸臨空面,在直墻壁上產(chǎn)生應力集中,當t=160 μs時,裂紋A端已與巷道貫穿,緊隨之,到t=166.67 μs時,裂紋B端由緩慢的擴展變?yōu)榭焖贁U展。

圖6可以更清晰地解釋上述現(xiàn)象,從圖中可看到,當t=60 μs時,裂紋A端出現(xiàn)較小速度值,說明此時裂紋有微小擴展,隨后裂紋B端也開始擴展。之后在t=146.67 μs時,裂紋A端擴展速度出現(xiàn)峰值212.60 m/s,當t=153.33 μs時,裂紋擴展速度為0,說明此時裂紋A端與巷道貫穿,此時裂紋B端擴展速度仍較小,且在之后開始減速,直到t=166.67 μs時,裂紋B端轉(zhuǎn)為快速擴展。另外,通過位移圖也可看出,當裂紋A端未與巷道貫穿前,裂紋B端擴展很小,當裂紋A端與巷道貫穿后,裂紋B端才出現(xiàn)快速擴展。當L=4 mm和L=5 mm時,具有類似的現(xiàn)象。綜上可得,無論L如何改變,在爆炸荷載作用下,裂紋B端的快速擴展總是發(fā)生在裂紋A端擴展并與巷道貫穿之后,說明L的存在對裂紋的擴展有一定的延遲作用。

圖6 當L=3 mm時裂紋A端和B端裂紋擴展位移和速度隨時間變化對比Fig.6 Extension displacement and speed change over time contrast figure of crack A and B side with L=3 mm

3.3 間距L的改變對裂紋B端擴展的影響規(guī)律

從圖7(b)可看出,當L=2 mm,t=146.67 μs時,裂紋B端擴展速度達到第1個峰值307.09 m/s;當L=3 mm,t=166.67 μs時,裂紋B端擴展速度達到第1個峰值259.84 m/s;當L=4 mm,t=180 μs時,裂紋B端擴展速度達到第1個峰值212.60 m/s;當L= 5 mm,t=206.67 μs時,裂紋B端擴展速度達到第1個峰值212.60 m/s。速度的第1峰值點正好對應于圖7(a)位移曲線的轉(zhuǎn)折點處。從以上數(shù)據(jù)可看到,裂紋B端擴展速度達到峰值的時刻逐漸延后,峰值大小隨L增大也逐漸減小,且速度達到峰值后,裂紋快速擴展的持續(xù)時間也逐漸減少。

從圖8可看出,當L=2 mm,t=53.33 μs時,爆炸應力波開始作用于預制裂紋,在裂紋B端產(chǎn)生應力集中,開始出現(xiàn)焦散斑,裂紋B端的動態(tài)應力強度因子Kd1=0.278 MN/m3/2,之后,在Kd1未達到裂紋起裂的臨界動態(tài)應力強度因子Kcr前,裂紋B端的能量釋放率逐漸積累,相應的Kd1值也振蕩性的增加。當t= 60 μs時,Kd1=0.515 MN/m3/2,裂紋B端起裂,并出現(xiàn)輕微的擴展,之后,Kd1略微減小,然后又開始振蕩性的增加,并在t=86.67～133.33 μs出現(xiàn)短暫的平緩期,隨后開始快速增加,當t=153.33 μs時,Kd1達到第1個峰值1.572 MN/m3/2,之后Kd1在1.0～1.7 MN/m3/2振蕩變化。當t=260μs,Kd1= 0.691 MN/m3/2時,裂紋止裂,之后Kd1開始振蕩性的減小,當t=346.67 μs時,Kd1=0。

圖7 裂紋W=5 mm且L改變時的裂紋B端擴展位移和速度隨時間的變化Fig.7 Crack extension displacement and velocity variation figure over time with crack of W=5 mm and changing L

圖8 裂紋W=5 mm且L改變時的裂紋B端動態(tài)應力強度因子隨時間的變化Fig.8 Crack dynamic stress intensity factor variation figure over time with crack of W=5 mm and changing L

綜上,當L=2 mm時,裂紋B端的動態(tài)應力強度因子變化呈現(xiàn)先逐漸振蕩性的增加,達到某一值后,出現(xiàn)相對短暫的平緩時間段,之后快速地達到第1峰值,然后在峰值上下振蕩變化,持續(xù)一段時間后,開始逐漸減小到0。當L改變時,動態(tài)應力強度因子的變化曲線呈現(xiàn)相似的軌跡,不同的是,隨著L的增大,達到第1峰值后,在峰值上下振蕩變化的持續(xù)時間逐漸減小,且動態(tài)應力強度因子的最大值也逐漸減小,對應L=2,3,4,5 mm,動態(tài)應力強度因子分別為1.651, 1.572,1.419和1.346 MN/m3/2。這說明,L的存在不僅對裂紋的擴展有一定的延遲作用,而且削弱了作用于裂紋B端的應力波能,并且這種延遲和削弱作用隨L增大逐漸增強。

4 結(jié) 論

(1)鄰近巷道爆破開挖時,主要擾動區(qū)除了巷道的迎爆側(cè)外,還包括存在裂紋缺陷的背爆側(cè),且擾動大小與裂紋與巷道的間距和裂紋長度有關(guān)。當間距不變,裂紋長度增加時,隱性裂紋遠端的最終擴展位移逐漸增加,但裂紋長度達到某值,裂紋擴展位移逐漸減小到0;當裂紋長度不變,如裂紋長5 mm時,隨著間距的增加,隱性裂紋遠端的最終擴展位移逐漸減小,依次為25.197,16.378,10.236和5.984 mm。

(2)在爆炸荷載作用下,裂紋遠端的快速擴展總是出現(xiàn)在裂紋近端與巷道貫穿后,對應于動態(tài)應力強度因子快速達到第1峰值,這說明裂紋與巷道間距的存在對裂紋的擴展有一定的延遲作用。

(3)裂紋近端與巷道貫穿后,裂紋遠端達到第1峰值的動態(tài)應力強度因子在峰值上下振蕩性的變化一段時間后減小到0;隨著裂紋與巷道間距的增大,振蕩變化的持續(xù)時間逐漸減小。這說明裂紋與巷道間距的存在削弱了作用于裂紋遠端的應力波能,并且這種削弱作用隨裂紋與巷道間距的增大逐漸增強。

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Effects of blast load on crack in back-blast side of adjacent tunnel

GUO Dong-ming1,2,LIU Kang1,YANG Ren-shu1,2,ZHOU Bao-wei1,WANG Han-jun3
(1.School of Mechanic&Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.State Key Laboratory for Geomechnics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.School of Architectural and Surveying and Mapping Engineering,Beijing Polytechnic College,Beijing 100042,China)

For exploring the influence law of explosive stress wave on invisible cracks in back-blast side of tunnel,the test was carried out by adopting the explosion loading transmission type dynamic caustics system.The experimental results show that,under explosion load,back-blast side existing crack defects in the surrounding rock of adjacent tunnel becomes a main disturbance,and perturbation size is connected with distance between the crack and tunnel and crack length.When crack length is 5 mm and the distance between the crack and tunnel respectively is 2,3,4 and 5 mm,the curves of dynamic stress intensity factor in the process of crack propagation present similar laws,namely after the crack run through the roadway,rapid increases to the first peak,and then ranges up and down at a period of time and finally reduce to zero.The difference is that the duration of the oscillation change in the peak fluctuation and the maximum value gradually decreases,the maximum value of are 1.651,1.572,1.419 and 1.346 MN/m3/2,which determine that finally extended displacement of invisible crack far-end corresponds for 25.197,16.378,10.236 and 5.984 mm,which renders as the regular of diminishing.The existence of the distance between the crack and tunnel not only has certain delay effect on the propagation of the crack,but also weakened stress wave energy reaching to crack far-end, and the delay and weakened effects gradually are enhanced with the increase of distance between the crack and tunnel.

blast load;adjacent tunnel;back-blast side;crack defects;dynamic stress intensity factor

TD23

A

0253-9993(2014)12-2355-07

2014-07-20 責任編輯:王婉潔

國家自然科學基金面上資助項目(51274204);教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-12-0965);教師隊伍建設(shè)-創(chuàng)新團隊(煤礦災害預警關(guān)鍵技術(shù)研究)資助項目(PXM2014_014225_000048)

郭東明(1974—),男,江西新余人,副教授,碩士生導師。Tel:010-62339225,E-mail:dmguocumtb@126.com

郭東明,劉 康,楊仁樹,等.爆炸荷載對鄰近巷道背爆側(cè)裂紋的影響規(guī)律[J].煤炭學報,2014,39(12):2355-2361.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0949

Guo Dongming,Liu Kang,Yang Renshu,et al.Effects of blast load on crack in back-blast side of adjacent tunnel[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2355-2361.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0949