爆炸冲击载荷作用下岩体力学特性的演化研究

爆炸冲击载荷作用下岩体力学特性爆炸冲击载荷作用下岩体力学特性 的演化研究的演化研究 1 引言 在采矿 道路和水电建设等许多土建工程的施工过程中 在很 多情况下需要采用爆破的方法对土石方进行大量开挖 大量的 炸药在爆炸时会释放出极大的能量 这样的冲击载荷在破坏确 定范围岩土介质的同时 对邻近的岩体也会产生强烈扰动 这 种强冲击扰动对不同位置的围岩会产生一定程度的影响 这些 问题的研究对于爆破参数的合理设计 围岩的有效加固和高边 坡工程的稳定支护设计等都具有重要的理论和实际指导意义 2 模型试验研究 为了从实验上进行研究 获得爆炸冲击载荷对岩体力学特性所 造成的影响 实验采用预制水泥砂浆试块模型爆炸加载的方式 进行 水泥砂浆试块的具体尺寸为 600 mm 500mm 300mm 实验在每个试块的上部预留直径为 20mm 的炮孔 炮孔距离前 面自由面为 100mm 实验中所采用的装药结构为偶合装药 装 药量为 5g 采用 8 雷管起爆 实验中对模型试块的爆前和爆距 离源 100mm 250mm 400mm 处利用 50mm 的取芯机进行 取芯 图 1 为试验模型的尺寸以及炮孔布置图 图 1 模型试验尺寸以及炮孔布置图 2 1 超声波传播速度的演化 岩体中弱性波波速的变化能够反映岩体物理力学性质以及动态 力学性质的变化 波速值的变化被广泛地用于确定的岩体内部 所产生的损伤或缺陷 本次实验对所取爆前以及爆后的芯样进 行了超声波检测 1 沿芯样轴向波速的变化 对 1 4 号试件的测试采用平头换 能器对芯样进行超声波检测的典型结果 如表 1 表 1 2 4 号试件的强度及超声波检测结果 见 试件 名称 比例距 l r 抗压强 度 mpa 强度衰 减幅度 波速 m s 1 首波幅 度 db 波度衰 减幅度 2 号 爆前 10 30 2849 115 21 2 号 10 6 75 34 5 2646 116 71 7 13 2 号 25 8 34 19 0 2710 118 30 4 88 2 号 40 9 24 10 3 2765 112 23 2 95 4 号 爆前 9 85 2681 115 26 4 号 10 5 96 39 55 2316 102 34 13 61 4 号 25 8 92 9 4 2514 120 01 6 235 4 号 40 9 57 2 8 2602 121 90 2 95 从表 1 可以看出 在炮孔近区比例距为 10 处所取得芯样的超声 波检测结果与爆前相比其衰减幅度明显要大于比例距为 25 40 处所取芯样与爆前相比的衰减程度 并且距离爆源越远 衰减 程度就越不明显 在比例距为 40 处芯样的声波速度检测结查与 爆前相比衰减幅度很小 据此也可以看出 在距离爆源距离较 远处虽然并没有产生明显的裂纹 但爆炸冲击作用已经在距爆 源不同距离处对岩体内部质量产生了劣化 2 沿芯样径向波速的变化 对于 5 号试件利用尖头换能器 沿试件轴向每隔 20mm 设置测试点进行测试 实验时的测点数由 取芯时芯样的长度决定 所以实验中各个试样的测点数并不相 同 将试验结果绘成波速变化曲线如图 2 图 2 沿芯样径向不同位置波速的变化 图 2 中的曲线分别表示在比例距为 10 25 40 处所取得的芯样 的测试结果 从检测结果可以看出 沿芯样高度方向上爆炸冲 击载荷对岩体力学特性所造成的改变并不相同 在靠近试件上 部自由面以及在装药高度附近并且距离爆源较近位置处波速的 衰减幅度更大 从图中还可以看出爆前芯样上各个测点的波速 基本要高于爆后芯样的波速 2 2 强度的演化 对 1 4 模型试件所取得的芯样进行了单轴抗压强度实验 表 1 为模型试验强度指标的几个典型试验结果以及衰减幅度值 根 据表中数据同样可以看出 爆炸冲击载荷的作用使得岩体的承 载力明显降低 随着比例距 试件上取芯样位置的中心与炮孔 中心之间的距离 l 与炮孔半径 r 的比值 下同 的增大抗压强 度的衰减幅度也越来越小 在炮孔近区比例距为 10 时单轴抗压 强度衰减幅度非常明显 最高达到 39 5 而在比例距为 25 40 处芯样的单轴抗压强度衰减幅度相对要小得多 随着距 爆源距离的加大 强度的衰减幅度也越来越小 最小达到 2 8 3 数值模拟研究 数值分析方法的应用非常广泛 在众多数值计算方法中有限元 法是一种较早 较成熟的岩体数值分析方法 该程序应用限元 方法计算非线性结构材料的动力响应 采用四节点单元进行离 散化 处理轴对称和平面应变问题 作用单点高斯积分 引入 沙漏粘性控制零能模态 并应用中心差分法进行时间积分 3 1 模型建立以及参数确定 本次数值计算是以具体公路工程边坡爆破为背景建立计算模型 的 模型的具体尺寸以及爆破参数 如表 2 所示 表 2 模拟边坡尺寸爆破参数表 台阶高 度 h m 抵抗线 w m 堵塞长度 h0 m 装药直 径 mm 装药高度 hd hz m 总装药 量 q kg 炸药单耗 q kg m 3 6 0 1 15 1 15 32 5 6 3 45 0 35 此次数值模拟的岩石力学参数现场取回来的岩样 经物理力学 性质试验得到 试验内容包括 饱水岩石单轴压缩试验 岩石 单压缩及变形试验 岩石三同压缩及变形试验 岩石劈裂试验 岩石声波测试试验 从试验过程和结果来看 岩石的碣度较大 强度较高 而且从现场及试验结果来看 该段岩性较为均一 主要是碎裂状大理岩 多组岩样力学性质基本相似 所以在模 拟计算过程中采用的物理力学参数取其均值 3 2 对模拟结果的分析研究 1 当药包起爆后 0 6ms 时 炮孔内壁的最大压应力就达到 1 64gpa 预留部分的应力随着距离炮孔的距离的增大而减小 到达预留部分的内部时压应力减小到 300mpa 左右 边坡岩体内 部力的作用表现为压应力 2 当 t 1 2ms 时 炮孔内炸药的反应已经基本完成 此时岩 体内的应力最大值为 833mpa 预留部分内靠近炮孔部位仍然为 压应力 在上部自由面处已经出现了由地反射拉伸波作用而产 生的拉伸应力 3 当 t 1 9ms 时 炸药的爆炸过程已经结束 应力波进入衰 减阶段 岩体中的最大压力为 138mpa 预留部分中靠近炮孔底 部的应力值最大 达到了 138mpa 靠近上部自由面处的应力值 较小 边坡高度在 0 5m 范围内的预留部分中的应力主要表现为 压应力 5 6m 区域即炮孔的中上部区域主要表现为拉应力 4 t 3 9ms 时 应力进一步衰减 压应力最大值为 130mpa 拉应力最大为 280 mpa 爆破预留部分的岩体中拉压应力的分 布与 t 1 9ms 时基本相似 通过对数值模拟结果的具体分析 发现当炮孔中炸药刚起爆时 炮孔前部自由面处的岩体还没有破坏 这时预留部位所受到的 应力作用的大小与自由面处岩体受到的应力基本相同 同时随 着最小抵抗线的增大 炮孔内峰值压力维持时间加长 所以在 预留部分内的应力作用范围加大 加长 所以在预留部分内的 等效应力分布图中 可以明显看出由于应力波在自由面发生反 射而在岩体内产生拉应力 还可以出现压应力作用的区域主要 集中在装药高度的范围 在上部自由面附近岩石主要表现为拉 伸破坏 以上这些与前面室内实验结果基本符合 从而进一步 验证了实验结果的正确性 4 结论 1 由于爆炸冲击载荷的作用造成岩体的抗压强度降低 进而 直接导致承载能力降低 炮孔近区比例距离为 10 的部位降低幅 度最大 达到了 39 5 而在比例距为 40 的部位降低幅度最小 只有 2 8 2 岩体经过爆炸冲击载荷作用后由于超声波传播条件劣化 导致超声波传波速减小 在距离爆源近区比例距为 10 的部位波 速衰减幅度非常显著 衰减幅度最大达到