1、第 40 卷第 2 期2023 年 6 月爆破BLASTINGVol 40No 2Jun 2023doi:10 3963/j issn 1001 487X 2023 02 008基于空孔效应的坚硬岩石涨裂破岩力学特性研究*冀玉豪1，李文杰1，康兰方2，唐刚2，梁斌1(1 河南科技大学 土木工程学院，洛阳 471000;2 中交二公局第四工程有限公司，洛阳 471000)摘要:为了提高坚硬岩石定向涨裂破岩效率，从坚硬岩石涨裂定向破岩机理出发，基于空孔效应理论对200 mm、250 mm、300 mm、400 mm 空孔间距以及 20 mm、40 mm、90 mm、120 mm 空孔半径下空孔孔壁
2、的应力变化规律展开研究，将理论计算与数值模拟进行对比分析验证。研究结果显示:空孔的存在使得空孔靠近涨裂孔一侧产生应力集中，随着空孔间距增大、空孔半径减小，空孔效应应力集中现象越弱;空孔圆周上受拉区为 40以内，最大拉应力出现在空孔与涨裂孔圆心连接线上，最大压应力出现在空孔圆周 70附近。孔间连线上 I 型岩石应力强度因子与应力变化规律相对应，在孔间距达到 400 mm 时，应力强度因子 KI小于岩石的断裂韧度 KIC，无法达到形成贯通裂纹的条件。依据研究成果设置空孔参数，并在深圳市铁岗-石岩水库石岩北清水引水隧洞进行涨裂破岩试验。试验结果显示:空孔对于裂纹扩展方向具有引导作用，能够促使空孔与涨
3、裂孔连线方向产生贯通的主裂纹，有利于提高坚硬岩石的涨裂破岩效率，能够为相似工程提供借鉴和参考。关键词:坚硬岩石;定向破岩;空孔效应;数值模拟;静力爆破中图分类号:TV542文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0053 08收稿日期:2023 01 09作者简介:冀玉豪(1996 )，男，硕士研究生，主要从事隧道与地下工程方面研究，(E-mail)jyh1236621163 com。通讯作者:梁斌(1963 )，男，教授、博导、博士，主要从事隧道与地下工程方面研究，(E-mail)liangbin4231163 com。基金项目:国家自然科学基金项目(U1604135);
4、中交第二公路工程局有限公司重点科技研发项目(项目编号 2020-5-20);河南省科技厅产学研合作项目(2015HNCXY011)esearch on Mechanical Characteristics of igid ockSpallation and Fracturing ock based on Empty Hole EffectJI Yu-hao1，LI Wen-jie1，KANG LAN-fang2，TANG Gang2，LIANG Bin1(1 School of Civil Engineering，Henan University of Science and Technolo
5、gy，Luoyang 471000，China;2 CCCC-SHEC Forth Engineering Co，Ltd，Luoyang 471000，China)Abstract:In order to improve the efficiency of the directional cracking of hard rocks，starting from the mecha-nism of cracking from hard rocks to breaking rocks，based on the empty hole effect theory，the stress variatio
6、n law ofthe empty hole wall under the 200 mm、250 mm、300 mm、400 mm hole spacing and the 20 mm、40 mm、90 mm、120 mm hole radius is studied，and the theoretical calculation and numerical simulation are compared and analyzed toverify The results show that the existence of empty hole makes the stress concen
7、tration near the expansion hole，withthe increase of empty hole spacing and the decrease of empty hole radius，the stress concentration of empty hole effectbecomes weaker The maximum tensile stress appears on the connection line of the empty hole and the expansionhole The maximum pressure stress appea
8、rs near the empty hole circle 70 The stress intensity factor of type I rockon the inter-hole connection line corresponds to the law of stress variation When the hole spacing reaches 400 mm，the stress intensity factor KIis smaller than the fracture toughness KICof rock and the condition for formation
9、 ofthrough cracks cannot be reached According to the research results，set the parameters of the empty hole and inShenzhen Tiegang-Shiyan reservoir Shiyan North clear water diversion tunnel to carry out the rock breaking test Thetest results show that empty holes play a guiding role in the direction
10、of crack propagation，which can cause the maincrack to form on the connecting line between the empty hole and the expansion hole and is beneficial to improving theefficiency of the breaking rocks in hard rocks，which can provide reference for similar projectsKey words:hard rock;directional rock breaki
11、ng;holes effect;numerical simulation;static blasting我国基础工程建设正在飞速进行中，其中不乏一些城市密集人口区域的地下隧洞工程，在地下坚硬岩石中近接穿越敏感管线或地铁隧道施工中，如若采用常规破岩方法，会对周边岩土区域或邻近管线隧道造成较大扰动，产生安全隐患，影响工程进度1-3。特殊条件下的岩石隧洞或地下结构，可利用空孔效应的力学特性来辅助破岩，国内研究人员对此开展了相关数值模拟和实验研究，研究成果显示，深部岩石的自由面有限，空孔的添加使得岩体局部应力场发生变化，影响裂纹的扩展方向，达到定向破岩的目的，并强化破岩效果4，5。李启月等运用数值模拟
12、软件 LS-DYNA6，对三种不同直径空孔的动态破碎贯通过程进行了模拟，得到了直眼掏槽爆破应力分布规律。雷战等通过水泥砂浆试件的爆破试验以及有限元模拟方法7，对爆破孔与空孔在不同孔间距爆破荷载作用下空孔周边应力进行分析，得出最佳空孔间距，并指出空孔效应的作用范围有限。岳中文等对爆破荷载下空孔周围应力场及主裂纹扩展进行了研究8，研究发现空孔能够控制裂纹扩展贯通，空孔直径增大，主裂纹扩展速度降低，当爆生主裂纹扩展到空孔附近时，主裂纹尖端动态应力强度因子将再次出现上升的趋势。王思嘉等研究了有无空孔情况下的动态应力强度因子、扩展轨迹及速度的变化规律9，说明了空孔能有效减小裂纹扩展速度震荡幅度，并使得爆
13、生裂纹动态应力强度因子稳定在一定范围内震荡。朱必勇采用数值模拟对不同孔径空孔首响掏槽爆破效果的影响进行了研究10，指出空孔反射应力波和聚集爆炸能量的作用随孔径增大而明显。文梼等采用数值模拟方法对空孔参数设置对于岩石应力波传播规律的影响程度进行分析11，依据孔间距系数对导向影响最大的结论，提出了设计空孔的合理有效原则。Arshadnejad等基于量纲分析以及线性回归的半解析和经验公式方法12，13，提出了不同岩石与混凝土的孔间距公式，并通过现场实测数据进行了验证。根据上述研究成果可以发现，空孔效应能够削弱局部岩体强度，并能够在一定范围内定向引导裂纹的扩展，而空孔大小、空孔距离等参数对于周边岩体应
14、力变化有着显著作用。实际工程中，空孔效应已在岩石动力爆破施工中，取得较多的相关试验和数值模拟成果，而在静力爆破涨裂定向破岩机理以及工作参数的影响研究相对匮乏。针对坚硬岩石定向涨裂破岩问题，运用空孔效应理论公式与数值模拟方法，对不同空孔参数变化下岩体应力分布状态及变化规律进行分析研究。结合工程实际，合理设置静力爆破空孔参数，提高坚硬岩石定向破岩效率，能够为特殊工程静力爆破定向破岩施工提供指导与借鉴。1涨裂破岩机理分析1 1空孔效应力学模型为了探究静力爆破施工中，涨裂孔与空孔周边岩石应力分布状态与变化规律，将岩体涨裂破坏存在空孔时的力学计算简化模型如图 1 所示。图中:L为涨裂孔与空孔的圆心距;r
15、A、rB分别为涨裂孔半径和空孔半径;a 为岩体中计算点距涨裂孔 A 的距离;b 为岩体中计算点距空孔 B 的距离;为计算点与涨裂空 A 圆心的水平夹角，为计算点与空孔 B 圆心的水平夹角。图 1空孔效应力学计算模型Fig 1Mechanical model of holes effect液压涨裂机在涨裂孔施加压缩应力，压缩应力在介质传播过程中，出现能量损耗衰减，应力值减小，岩石中任意一点的切向应力与径向应力可由(1)式确定4 r=par()A=r(1)式中:r、分别为岩石中某计算点的涨裂径向应力、切向应力，MPa;P 为作用于孔壁的涨裂压45爆破2023 年 6 月力值，MPa;rA为涨裂孔半
16、径，mm;为应力衰减系数，=2 /(1 );为岩石泊松比;为动态侧应力系数，=/(1 )。根据图 1 计算简图可知:利用空孔 B 孔壁处的各个参数间存在的几何关系化简可得a=(L rBcos)/cos cos=L rBcos(rBsin)2+(L rBcos)2(2)液压涨裂的压缩应力传播至空孔 B 上时，空孔B 附近应力状态可表示为4 rr=12(1 k2)(r)+(1 4k2+3k4)cos(2)+rcos(2)=12(1 k2)(r)+(1+3k4)cos(2)+rcos(2)=12(1+2k2 3k4)(cos(2)+rcos(2)k=rBb(3)式中，rr、分别为空孔附近某计算点的径向应力、切向应力和剪切应力，MPa。当计算点的位置位于空孔圆周上时，此时 B=b，k=1，因此可得rr=0r=0=(r)+cos(2)+rcos(2)(4)1 2孔间裂纹扩展判定根据断裂力学中最大周向拉应力准则可知:裂纹沿着周向拉应力最大方向进行扩展，根据(4)式可知:当=0时，空孔圆周上切向拉应力最大值出现在空孔与涨裂孔连接线上，裂纹扩展沿此方向进行，孔间裂纹简化模型如图 2 所示。图 2孔间裂