節理充填巖體爆炸應力波傳播規律模型試驗與應用研究*

陳雪峰，趙孝學，汪海波，馬 浪，王長柏

(1.貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008；2. 安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

節理作為一種地質構造現象，廣泛存在于天然巖體中，破壞巖體的連續性，使得爆炸應力波和氣體產物在結構面“泄出”，最終影響爆破效果。Gnirk[1]通過試驗發現，節理等結構面對爆破效果的影響超過了巖體其他物理力學性質的影響；孫冰等[2]通過完整地質和節理地質的巷道爆破模型試驗，對爆炸應力波在層狀節理巖體中的衰減規律進行了研究；劉際飛等[3]通過聲波測試及節理巖體震動衰減試驗，研究了節理走向角度對爆炸應力波傳播的影響；Wu等[4]研究在不同裂隙填充厚度和剛度條件下P波的傳播規律，得出P波通過裂隙后的透射系數隨充填材料的剛度的增加而增大，隨厚度的增加而減小；李業學[5]通過SHPB試驗對應力波通過巖石節理時的能量耗散規律進行研究，給出透、反射系數與分形維數間的理論表達式；Zhu等[6-7]在不同節理形狀、入射角、間距及剛度等參數的條件下，對應力波的傳播規律進行理論研究；王衛華等[8]建立了應力波在節理裂隙處的解析模型，分析了不同應力波在節理裂隙處的傳遞規律，得出隨應力波幅值的增大，傳遞系數增大而裂隙寬度減小。

數值模擬方面，張秀麗等[9]采用DDA程序模擬了通過節理處的應力波傳播，得出節理裂隙對應力波的傳播起到阻礙作用，應力波的透射強度隨節理數目的增多減弱，反射強度則反之；劉婷婷等[10]、郭易圓等[11]及FAN等[12]采用離散元方法分析了爆炸應力波在各種節理裂隙中傳播的規律，重點分析了巖體中不均質連續的面對能量的傳遞、削弱的影響；楊仁樹等[13]采用ricker子波為爆炸場源，模擬了爆炸應力波在節理巖體中的傳播過程；趙堅等[14]通過UDEC模擬應力波在節理巖體中的傳播，得出節理的存在對波的衰減具有促進作用。

貴州省喀斯特地貌極為發育，巖性以白云巖、石灰巖為主，由于長期風化，節理面豐富，形成層狀、塊狀，在流水作用下，風化產物——紅黏土進入節理內，形成充填介質。現有研究成果多集中在節理角度、數目等因素對爆炸應力波傳播影響方面，而對節理充填介質成分因素的影響缺乏足夠研究。本文在已有研究成果基礎上，以平羅高速栗木山隧道施工揭露的層狀節理巖體和充填介質紅黏土為研究對象，通過模型試驗，研究不同節理充填介質厚度時巖體內爆炸應力波的傳播規律，以優化隧道掘進爆破參數，降低節理對爆破效果的影響。

1 試驗方案

1.1 模型制作

由于采用含節理巖體原巖進行試驗較為困難，而水泥砂漿與巖體的物理力學特性相似，因此采用水泥砂漿模擬巖體。節理充填介質采用現場實際揭露的紅黏土。

水泥選用“八公山”牌PC32.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為干燥的淮河中砂，水泥砂漿的組成配比為水泥∶中砂∶水=2∶2∶1。模型體采用直徑0.6 m、高度0.4 m的圓柱體。節理采用預留空腔充填紅黏土的方法，具體為：將直徑10 mm的PVC管按一定比例切開，凹邊合并在一起并用膠水粘牢，即形成月牙形模具；將月牙形模具埋置在砂漿中，待模型體硬化即可拔出模具，得到節理空腔。澆筑的模型體及模具如圖1所示。

圖1 澆筑的模型Fig.1 Model pouring

為觀測爆炸應力波通過不同節理厚度時的變化特征，采用BFH120-5AA-Q3型電阻應變片測試爆炸應力波的變化，在無節理側距炮孔中心50 mm處布置1個測點，利用月牙空腔不同角度所對應的節理充填介質厚度不同，在穿過節理一側布置4個測點，對應節理充填介質厚度分別為8，12，16和20 mm，每個測點均設置了橫向和縱向2個應變片。應變片事先粘貼在應變磚上，澆筑前所有應變磚固定在直徑0.2 m的鋼絲網上，以保持所有應變片在同心圓上。模型澆筑3 d后脫模，覆蓋濕潤草席并灑水養護28 d。將取自栗木山隧道現場的紅黏土土樣剔除碎石子，填入月牙形空腔。在模型中間鉆直徑6 mm的炮孔，如圖2所示。

圖2 測點與炮孔布置Fig.2 Measuring points and blast hole layout

模型澆筑的同時，制作直徑50 mm、高度100 mm圓柱體試件用來測試砂漿的物理力學參數，養護28 d后測得單軸抗壓強度31 MPa、彈性模量為3.2 GPa。

1.2 測試系統

爆炸應變波信號采集采用TST3406動態測試分析儀和CS-1D超動態電阻應變儀組成的超動態應變測試系統，如圖3所示。TST3406動態測試分析儀采樣頻率為10 MHz，采樣長度為4 ms。

圖3 試驗測試系統Fig.3 Testing system

2 試驗結果及分析

2.1 不同節理厚度爆炸應力波的衰減規律

在模型體炮孔內裝入2 g黑索金，用電雷管(裝藥量0.3 g)引爆。測試系統采集的電壓信號數據通過公式(1)、(2)換算為應變和應力：

(1)

σ=Eε

(2)

式中：ε為換算后測得的應變值；σ為換算后測得的應力值，MPa；U0為所測得的電壓值，V；U1為設定橋壓值，V；k為應變片靈敏系數，取2.08；A為電阻應變儀的增益倍數；E為模型體的彈性模量，GPa。

計算得到不同充填介質厚度處測點的橫向和縱向應變片測試應力時程曲線，如圖4和圖5所示。由于應變片測試時受拉為正值、受壓為負值，測得的均為壓應力，故圖4和圖5應力時程曲線中均為負值。為便于比較大小，下文用其絕對值進行分析。

圖4 不同充填厚度時橫向應變片應力時程Fig.4 Stress-time history curves of different filling thickness for transverse strain gauges

圖5 不同充填厚度時縱向應變片應力時程Fig.5 Stress-time history curves of different filling thickness for longitudinal strain gauges

由圖4和圖5分析，可得到應力波變化特征：

1)起爆后，測點處爆炸應力波迅速增長，無論橫向還是縱向應變片，通過節理后的峰值應力相比于無節理側的峰值應力明顯降低，且隨著穿過節理充填介質厚度的增加，應力波峰值呈減小趨勢。其主要原因為爆炸應力波穿過節理時，由于節理充填介質的波阻抗(密度和縱波波速)與兩側模型體不同，在節理充填介質和模型體的交界面上應力波產生反射和折射現象，同時節理充填介質吸收了部分能量。具體表現為，節理充填介質厚度越大，應力波衰減幅度越大。

2)爆炸應力波在模型體傳播過程中測點處應力到達峰值的時間具有明顯的間隔。對于縱向應變片，無節理側爆炸應力波在1.1 μs時率先達到峰值，而節理充填介質厚度為8，12，16和20 mm測點處應力到達峰值的時間分別為2.5,2.9,3.3和3.9 μs，滯后時間0.1～0.15 μs/mm；橫向應力波的變化與縱向一樣具有較好的一致性。表明節理充填介質的存在阻隔了應力波的傳播，使應力波達到峰值的時間出現滯后現象，隨著節理充填介質厚度的增大，滯后時間越長，這是因為節理充填介質的縱波波速(紅黏土縱波波速測試值500～600 m/s)比砂漿小，應力波在節理充填介質中的傳播速度較模型體中緩慢，增加了應力波的傳播時間[15]。

為了更好地研究爆炸應力波峰值與節理充填介質厚度之間的關系，提取不同厚度時的應力峰值(見表1)，將其導入Origin9.0軟件，擬合得出峰值應力σ與節理充填介質厚度h的關系，如圖6所示。

表1 不同充填厚度時爆炸應力波峰值Table 1 Peak value of blasting stress wave at different filling thickness

由圖6可知，無論橫向還是縱向的峰值應力均隨節理厚度的增加呈線性衰減，在節理充填介質厚度從8 mm增加到20 mm的過程中，橫向峰值應力從94.35 MPa降到44.1 MPa，衰減了53.25%，平均衰減速率為4.188 MPa/mm；縱向峰值應力從92.25 MPa降為65.55 MPa，衰減了28.94%，平均衰減速率為2.225 MPa/mm。橫向峰值應力的衰減速率大于縱向峰值應力的衰減速率，由此可見，節理充填介質對爆炸應力波的吸收存在各向異性。

圖6 充填厚度與爆炸應力波峰值的關系Fig.6 Relationship between filling thickness and blasting stress wave

2.2 爆生裂隙擴展分析

爆破后，由于節理面的導向作用，炮孔與節理充填介質間的砂漿完全破碎，爆破破碎情況及爆生裂紋走向如圖7所示。

圖7 爆破后炮孔周圍破碎情況Fig.7 State of fracture nearby blast hole after blasting

由圖7(a)可知，爆生裂紋的產生、擴展與爆炸應力波在模型體中的傳播密切相關，圓柱形模型體表面出現了3條主裂紋：1條裂紋斜穿過節理，其他2條裂紋均分布在無節理側；相對于穿過節理的裂紋，無節理側裂紋的寬度和深度較大，以正對節理的裂紋為最(最寬處達2 mm)。這是因為無節理側爆炸應力波沒有因節理充填介質而造成能量損失，使能量得到充分的利用，加大了爆炸應力波的影響范圍，當裂紋起裂后，爆生氣體迅速貫入裂紋產生氣楔作用，繼續推動裂紋擴展，使其寬度和深度增大。對于節理充填介質一側，爆生氣體進入節理后，沖擊壓密填充介質，消耗了較多的能量，因此穿過節理的裂紋較少且出現填充介質被擠出空腔的現象。

炮孔附近區域模型體受到的爆炸應力波加載率高，由于節理填充介質的密度、彈性模量和縱波速度均比兩側模型體小，爆炸應力波傳至二者的界面處發生反射，反射回去的波與隨后繼續傳來的波相疊加，增加了應力波強度，2.3 g炸藥爆炸產生的能量使炮孔和節理充填介質間模型體的破壞加劇、完全破碎，形成粉碎區；而另一側無明顯破碎區，半個炮孔仍保留在模型體上，如圖7(b)所示。表明節理的存在對爆炸近區裂紋擴展存在導向作用，主要爆炸能量消耗在節理側巖體多度粉碎上，減小了爆破裂隙區的范圍，在工程中不利于預期目標的實現，具體表現為掏槽爆破槽腔體積小、掏槽效果差，周邊光面爆破炮孔間貫穿裂隙少、易超欠挖。

3 爆破參數優化與應用

根據試驗結果，結合現場工程實踐，對爆破方案與參數，尤其是掏槽和光面爆破參數進行了優化：

1)合理布置炮孔。控制炮孔間、炮孔與節理面間的距離，對層厚0.5 m以上的巖層，炮孔與節理面間的距離不小于0.2 m。

2)掏槽爆破。采用4對楔形掏槽眼、中部布置3～4個中心直眼的混合掏槽形式，增加掏槽爆破藥量，提高掏槽效果。

3)光面爆破。頂眼、幫眼采用導爆索間隔裝藥結構，Ⅲ級圍巖裝藥集中度0.3～0.35 kg/m，Ⅳ級圍巖裝藥集中度0.2～0.3 kg/m；炸藥采用直徑32 mm的2號巖石乳化炸藥，單個藥卷長度0.2 m，質量200 g，裝藥時將藥卷割斷，每段0.1 m、間隔0.3～0.5 m捆綁于竹片上，藥卷間用導爆索相連，所有炮孔導爆索與主爆索相連，主爆索綁上MS13段導爆管雷管起爆。

采用優化后的爆破參數現場試驗時，炮孔利用率達92%以上；光面爆破頂眼半孔率達90%以上，超挖量控制在允許范圍內，爆破效果如圖8所示。

圖8 優化后光面爆破效果Fig.8 Smooth blasting effect after parameters optimizing

4 結論

1)節理面和充填介質紅黏土吸收并延緩爆炸應力波的傳播，衰減程度隨著節理充填介質厚度的增大而增大、應力波到達峰值的時間隨厚度增大而滯后，對于研究的紅黏土，衰減速率為2.225～4.188 MPa/mm，滯后時間0.1～0.15 μs/mm；可根據巖層與節理充填介質厚度調整炮孔間距和裝藥量。

2)爆炸應力波在節理巖體中的傳播具有各向異性，橫向應力的衰減速率大于縱向應力的衰減速率，均隨節理厚度的增加呈線性衰減。

3)節理的存在對巖體的破碎具有導向作用，加劇節理側巖體破碎。應控制炮孔至節理面的距離，周邊孔控制裝藥量，宜采用空氣間隔分段裝藥。