混凝土雙向多點聚能定向劈裂成縫實驗研究

薛永利,王 靜,顧 云,李 飛,劉 迪,孫 飛,陳順祿

(1.核工業南京建設集團有限公司,南京 210000;2.南京君緣科爆工程技術有限公司,南京 211013)

當前,核電廠基坑負挖、對底板控界開挖爆破均采用傳統的爆破技術,主要是通過調整爆破參數、采用不耦合裝藥以及使用孔底柔性材料間隔裝藥等方法實施。采用上述傳統鉆爆法進行開挖時,產生的新巖石斷面通常界面平整度不高,且易造成底板超挖等問題。為解決上述技術難題。國內外關于定向斷裂爆破技術研究,基本上可以分為3個方面[1]:1)采用機械方法形成初始定向裂紋(改變炮孔形狀),即切槽孔巖石定向斷裂爆破;2)利用炸藥聚能射流破壞機理,在炮孔周圍形成定向裂紋(改變裝藥結構),即聚能藥包巖石定向斷裂爆破;3)利用切縫管對能量的導向作用,沿切縫方向形成定向裂紋(孔內增加附件),即切縫藥包定向斷裂爆破。

岳中文等[2-4]分別對單炮孔和雙炮孔爆炸載荷下含圓孔缺陷的PMMA材料的爆生裂紋擴展行為進行研究。楊立云等[5-6]探討炮孔切槽與水平方向成不同角度(0°,45°和90°)下,初始應力場對爆生裂紋擴展規律的影響效應。趙根[7]研究了聚能藥包破巖效果的因素,研制出了切割型和射孔型2種不同環向聚能藥包,并進行了現場應用試驗。鄧永興等[8-9]為解決鉆爆法根底超欠挖問題以及提高炸藥在爆破中的做功能力,提出了一種螺旋管聚能藥包。吳波等[10]研究了聚能管材料分別為紫銅和PVC時橢圓雙極線型雙向聚能藥包爆破隨錐角的變化規律。

楊仁樹等[11]對切縫藥包爆炸波與爆生氣體的傳播機制進行探討研究,同時對不同藥量條件下切縫藥包對巖體的損傷范圍進行測定。李清等[12]研究有機玻璃板中不同藥量的切縫藥包雙孔爆破主裂紋及分支裂紋的擴展規律。申濤等[13]建立"炸藥-切縫管-空氣"模型,采用數值模擬方法研究切縫藥包爆炸過程中沖擊波相互作用、爆炸流場壓力時空分布和切縫管形態變化。岳中文等[14]分析了切縫管內耦合裝藥與不耦合裝藥方式下切縫藥包的沖擊動力學行為和爆生裂紋的動態力學行為。史國利等[15]對不耦合系數的切縫藥包爆破損傷破壞進行分析。余永強等[16]進行了切縫藥包爆破和普通藥包爆破的工程應用對比研究。郭德勇等[17]研究了聚能爆破載荷情況下控制孔煤體爆生裂隙的發育與擴展力學模型。

基于高速聚能射流定向劈裂沖擊與斷裂理論,設計了一種雙向多點聚能巖石劈裂裝藥裝置。通過制作雙孔預制裂紋混凝土試塊進行爆破劈裂成縫模擬實驗研究并進行了應力測試,為核電基坑開挖巖石精確控界切割,實現高平整度和微損傷巖石界面提供了一種新的方法。

1 雙向多點聚能定向劈裂裝置設計

采用脆性材料的楔入劈裂原理,在有初始裂縫的情況下,外部楔形物體在此處沖擊可以形成貫穿裂縫;用聚能射流原理代替傳統楔子,利用其形成的高速聚能桿狀射流沖擊巖石,達到快速高效劈裂巖石的目的,并能夠形成平整的新巖石界面。該方法主要關鍵點有2部分:1)聚能裝藥的設計,目的是形成一個桿狀射流;2)巖石表面的預處理,也就是在巖石表面用切割器沿設計斷裂方向預制出一道導向初始裂縫,用以控制巖石斷裂的方向,而其中的關鍵參數是導向初始裂縫的寬度和深度。

1.1 單個聚能裝藥設計

通過正交數值模擬分析,結合既有聚能裝藥經驗,設計了一種聚能裝藥(見圖1、圖2)實物,其口徑28 mm,高度30 mm,裝藥量為18 g;藥型罩為紫銅,錐形平底罩,錐角89°,厚度1.5 mm。

圖1 聚能裝藥剖面結構Fig.1 Constructure of rod shaped charge

圖2 聚能裝藥實物Fig.2 Physical drawing of rod shaped charge

該聚能裝藥在特定炸高下能形成桿狀射流,高速的金屬射流沖擊侵徹巖石,巖石會沿著初始裂縫的方向開裂,在爆炸沖擊波和爆炸產物膨脹的綜合作用下,裂紋會持續擴展,直至巖石裂縫切割貫穿。圖3為單個聚能裝藥劈裂巖石實驗設置,圖4為實驗結果,可以看出,在聚能裝藥爆炸作用下巖石被破壞,裂紋從巖石近端沿預制裂縫擴展,在巖石垂直方向上裂紋繼續擴展,基本與上表面垂直,巖石試塊整體被劈裂,劈裂方向和預期基本一致。巖石其他部位無損傷裂紋產生,在聚能裝藥爆炸處產生直徑3 cm左右爆坑,爆坑呈漏斗形,坑深2.5 cm。

圖3 單個聚能裝藥劈裂巖石實驗設置Fig.3 Testing apparatus for single shaped charge splitting rock

圖4 單個聚能裝藥劈裂巖石裂紋效果Fig.4 Effect of splitting rock crack for single shaped charge

1.2 雙向多點聚能定向劈裂裝置設計

為多個炮孔內部裝藥爆炸后形成貫穿平整的新界面,設計雙向多點聚能定向劈裂器結構如圖5所示。每套雙向多點聚能定向劈裂器裝有8個聚能裝藥,聚能裝藥用膠固定在一根外徑75 mm、長2 m的PVC塑料管上。8個聚能裝藥的分布情況如圖5所示,8個聚能裝藥通過1根導爆索串聯起來,導爆索用來同時引爆8個聚能裝藥。雙向多點聚能定向劈裂器在炮孔有初始裂縫條件下,爆炸形成的高速聚能桿狀射流從2個方向對稱沖擊炮孔壁面的巖石,達到快速高效劈裂巖石的目的,多個炮孔能夠形成貫穿平整的新巖石界面。本次實驗使用雙向多點聚能定向劈裂器2套(見圖6、圖7)。

圖5 雙向多點聚能定向劈裂裝置設計Fig.5 Device design of bidirectional multipoint shaped charge

圖6 雙向多點聚能定向劈裂裝置實物Fig.6 Physical device drawing of bidirectional multipoint shaped charge

圖7 雙向多點聚能定向劈裂裝置局部Fig.7 Partial view of the device for bidirectional multipoint shaped charge

2 定向劈裂實驗設置

2.1 傳感器設置

待切割的混凝土試件參數如圖8所示,試件整體由混凝土澆筑而成,尺寸為:4 m×3.6 m×2.3 m。在1#～6#位置預埋12個PVDF應力傳感器(每個位置2個PVDF應力傳感器)(見 圖9)。6個傳感器位置長度方向間距1.2 m,寬度方向間距1.6 m。每個位置處預埋2個PVDF應力傳感器,其中上面1個距混凝土上表面距離1 m,下面1個距混凝土上表面距離1.5 m。PVDF傳感器敏感面垂直于混凝土試件長度方向(1#-3#-5#方向)。

圖8 實驗時傳感器與試件位置Fig.8 Position of the sensor and the specimen in the experiment

圖9 待切割混凝土試件Fig.9 The specimen for concrete to be cut

應力傳感器選用某個科技有限公司的PVDF傳感器,主要性能參數如表1所示。為方便安裝,預先用與試件標號相同的混凝土封裝(見圖10)。

表1 PVDF傳感器的技術參數

圖10 PVDF傳感器封裝Fig.10 PVDF sensor package

2.2 裝藥設置

實驗前,在試件上鉆2個直徑115 mm的炮孔,深度2 m(見圖11、圖12),炮孔間距為0.65 m。炮孔距最近的傳感器位置的水平距離分別為0.63 m和0.8 m。2個炮孔中心連線與1#和2#、3#和4#傳感器位置連線平行。為了控制裂紋擴展方向,在2個炮孔上用切割機切出4道切槽(見圖11),槽寬4 mm,槽深7 mm。實驗時將2套控界切割器放入2個炮孔中(圖12),2根導爆管用1個雷管同時引爆。

圖11 炮孔切槽俯視圖Fig.11 Top view of hole cutting grooves

圖12 炮孔切槽和控界切割器安裝Fig.12 Installation of hole cutting groove and boundary control cutter

3 實驗結果分析

3.1 混凝土斷裂結果與分析

雙向多點聚能定向劈裂裝置引爆后,試件爆破效果如圖13所示。裂紋貫穿兩炮孔之間的混凝土,并沿此方向向兩炮孔外側擴展,整條裂紋基本沿兩炮孔中心連線方向。分析表明:該裝置綜合采用切槽定向爆破技術和雙向多點聚能定向劈裂技術,即在炮孔預先切槽有初始裂縫條件下,雙向多點聚能定向劈裂裝置爆炸形成的高速聚能桿狀射流從2個方向對稱沖擊炮孔壁面的巖石,達到快速高效劈裂巖石的目的,多個炮孔能夠形成切割貫穿平整的新巖石界面。表明該裝置和預制裂紋組合應用能夠有效控制爆炸應力場的分布,使能量沿預制裂紋方向集中傳播,控制非切槽方向的損傷破壞,從而達到預裂爆破的目的,可為核電基坑底板精細控制爆破提供了一種新的思路和方法。

圖13 控界切割器引爆后試件狀態Fig.13 State of specimen after explosion of boundary cutter detonates

3.2 混凝土內部應力分析

PVDF測得的應力結果見圖14和表2。共得到7組數據,其中1#測點下方峰值約為4.59 MPa,2#測點下方峰值約為0.83 MPa,3#測點下方峰值約為3.37 MPa,4#測點下方峰值約為10.24 MPa;1#測點上方沒有測到數據,2#測點上方峰值約為0.61 MPa,3#測點上方峰值約為0.15 MPa,4#測點上方峰值約為0.42 MPa。實測數據表明,下方測點(距離混凝土頂部1.5 m)傳感器的應力值明顯大于上方測定(距離混凝土頂部1.0 m),分析原因為下方傳感器距離控界切割器裝藥中心距離較近。可為下一步數值模擬優化調整雙向多點聚能定向劈裂裝置提供數據參考。

表2 各傳感器測得的應力值

圖14 混凝土內部應力曲線Fig.14 Internal stress curve of concrete

4 結論

1)設計了一種雙向多點聚能定向劈裂裝置,該裝置綜合采用切槽定向爆破技術和雙向多點聚能定向劈裂技術,即在炮孔預先切槽有初始裂縫條件下,雙向多點聚能定向劈裂裝置爆炸形成的高速聚能桿狀射流從2個方向對稱沖擊炮孔壁面的巖石,達到快速高效劈裂巖石的目的,多個炮孔能夠形成貫穿平整的新巖石界面。

2)通過2個相距0.65 m的炮孔中應用雙向多點聚能定向劈裂裝置進行實驗,實驗結果表明:爆生裂紋貫穿兩炮孔之間的混凝土,并沿此方向向兩炮孔外側擴展,整條裂紋基本沿兩炮孔中心連線方向,驗證了雙向多點聚能定向劈裂裝置可用于巖石控界爆破切割形成光滑平整壁面,為核電基坑底板控制精細爆破提供了一種新的方法。