【摘 要】
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目前,在岩石工程中的破岩手段主要分为两种——炸药爆破和机械破岩,爆破作用由于选用的炸药种类、配比及装药方案的不同会形成不同波形的爆炸应力波,而破岩机械如凿岩锤等会因冲击活塞的不同产生不同波形的冲击应力波。同时,岩石的非均匀性、各向异性及非连续性等性质会导致应力波在岩石内的传播过程异常复杂,不同波形应力波会对岩石产生不同的破碎效果,特别是岩石中含有孔洞、裂纹等缺陷时,动力作用下在岩石缺陷处极易萌生新
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目前,在岩石工程中的破岩手段主要分为两种——炸药爆破和机械破岩,爆破作用由于选用的炸药种类、配比及装药方案的不同会形成不同波形的爆炸应力波,而破岩机械如凿岩锤等会因冲击活塞的不同产生不同波形的冲击应力波。同时,岩石的非均匀性、各向异性及非连续性等性质会导致应力波在岩石内的传播过程异常复杂,不同波形应力波会对岩石产生不同的破碎效果,特别是岩石中含有孔洞、裂纹等缺陷时,动力作用下在岩石缺陷处极易萌生新的裂纹并不断扩展最终导致岩石整体破坏。因此,研究不同波形应力波对含缺陷岩石裂纹扩展行为的影响具有重要的现实意义。本文采用岩石破裂过程分析软件RFPA3D-Blasting/Dynamic,在考虑岩石非均匀性的基础上,基于岩石中缺陷存在形式,重点关注含裂纹、孔洞等缺陷的岩石对动载波形参数的响应特征,研究应力波波形对含缺陷岩石裂纹扩展影响机理。具体内容分为以下两个方面:(1)爆炸应力波作用:通过对含预制裂纹模型的炮孔处施加25种不同爆炸应力波荷载,综合比较应力波波形参数(应力波峰值、上升/下降速率、能量)对岩石裂纹扩展的影响。结果表明:岩石裂纹扩展形态受应力波上升速率控制,应力波冲击速率越快,孔边围岩越破碎,但裂纹扩展长度越短;应力波能量影响岩石裂纹扩展长度,能量越大,裂纹扩展越长,而应力波能量相近时,上升速率低的荷载其裂纹扩展略长;炮孔粉碎区半径随应力波上升速率和上升沿能量增大而增大。因此,建议在爆破作业中通过水炮泥封口或者采用空气柱间隔装药结构来延长作用时间使得爆破影响范围更大,而通过选取合适类型与配比的炸药来提升应力波上升速率从而改善岩石破碎效果。(2)冲击应力波作用:通过在数值模型边界施加动态冲击荷载,模拟研究单一缺陷(预制孔洞、预制裂纹模型)、缺陷组合模型(裂纹—孔洞、孔洞—裂纹、双裂纹及双孔洞)在多种应力波冲击作用下的动态破坏过程,对比分析应力波波形参数(应力波上升/下降速率、峰值、波长)对岩石裂纹起裂、扩展形式、扩展角度及缺陷间贯通裂纹形成的影响。研究发现:冲击荷载下在缺陷处形成的X形裂纹扩展角度和平均扩展速度随应力波上升速率降低而降低,与下降速率及波长无明显关系;当应力波持续时间及上升时间较短时,孔洞缺陷右侧会演化形成横V形裂纹,预制裂纹处的X形裂纹在边界处向内凹陷扩展;在相同几何参数及位置条件下,上升速率越低越有利于缺陷贯通。因此,建议对含孔洞、结构面等缺陷数量较少或间距较大的岩体,采用高冲击速度的短活塞效果更好,而对缺陷数量多且分布密集岩体,建议采用直径小的长活塞。
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