岩石中爆炸应力波的测试与研究

2爆破载荷作用下岩石的物理力学性质岩石中爆炸应力波的测试与研究【摘要】本文研究了岩石在爆破冲击载荷作用下的力学响应，本文根据相似理论，制做了球形水泥砂浆试块，实际测量了DDNP集中药包在试块中爆炸的应力波的分布，推导出岩石内应力波峰值的衰减规律，最后分析了实验结果，正确的得出集中药包在岩石中爆炸应力波的分布情况。关键词：岩石爆破、应力波分布、应变片、耦合装药Keyword:Rockblasting;Distributionofstresswave;Straingauge;ChargeCoupledChinesebookscatalog1.绪论目前，在采矿、水利水电、道路构筑、机场及港口建设等工程领域，面对岩体的坚固与庞大，不采用爆破技术难以解决工程问题。为达到安全与高效的预期目的，不能光凭经验，应有岩石爆破理论的指导[1]。目前，爆破是岩石开挖的主要方法。爆破被广泛地应用于破碎坚硬介质，特别是近几十年中，爆破技术得以空前地发展。工程中，实施岩石爆破时，一方面使开挖部分的岩石达到合理有效的破碎；另一方面尽可能减少爆破对边界以外岩石损伤或破坏，有效保护爆后保留岩石的稳定性，这是广大爆破专业人员追求的目标。然而，由于岩石性质和岩石爆破过程的复杂性，目前仍有很多问题亟待解决，急需了解岩石爆破的破碎机理以及影响爆破破碎的因素[2]。岩石爆破是一个复杂的动力学过程。随着先进测试技术的应用，在生产实践中人们已逐步掌握了岩石爆破破坏的基本规律。例如，最初提出了克服岩石重力和摩擦力的破坏假说，以后又相继提出了自由面与最小抵抗线原理，爆破流体力学理论，最大压应力、剪应力、拉应力强度理论，冲击波、应力波作用，反射波拉伸作用，爆生气体膨胀推力作用，爆生气体堆静楔压作用，应力波与爆生气体共同作用，能量强度理论，功能平衡理论，爆破漏斗理论和爆破断裂力学等等理论。这些理论观点各异，有些互相矛盾，有些互相渗透。随着长期的实践经验的积累和现代科学技术的发展，借助先进的动态、超动态测试技术以及爆破模拟试验，对岩石爆破的研究已经取得了一定的成果，提出了许多岩石爆破机理和岩石爆破模型。这些机理和模型在一定程度上使人们对岩石爆破中的一些参数有了一定的了解和掌握。对现代的岩石爆破有一定的指导作用。岩石是岩体的基本组成部分，是工程爆破的主要对象，为了取得良好的爆破效果，必须了解和掌握岩石的爆破性。岩石的爆破性是指岩石对爆破的抵抗能力或可爆的难易程度。爆破岩石的目的是根据爆破任务的要求，把岩石从岩体中脱离，破碎成一定的块度，移动或抛2爆破载荷作用下岩石的物理力学性质扔出—定的距离，并堆成一定的形状等等。岩石的爆破性是岩石自身物理力学性质和炸药、爆破工艺的综合反映。它不仅是岩石的单一固有属性，而且是岩石—系列固有属性的复合体，它在爆破过程中表现出来，并影响着整个爆破效果。2.2.岩石的基本物理性质岩石是组成地壳的自然物体。岩石最初可以看成是由一种高温的硅酸盐熔体经过凝固而成的，以后经过破坏，搬运和沉积等作用生成一种新的岩石，这些由硅酸盐熔体凝固而成及其经过破坏而生成的岩石，在新的物理化学环境下，又发生新的变化，以后又转变成一种新的岩石[16]。根据岩石的成因，一般将岩石分成三大类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。在自然界中，虽然存在单一元素的矿物，但大多数矿物则是包含两种或两种以上元素，并在重量上有其固定比例的化合物。由一种矿物颗粒组成的岩石叫做单矿岩石，由几种矿物颗粒组成的岩石叫做多矿岩石[17]。岩石是一种典型的非均匀材料。所谓岩石介质的非均匀性，就是岩石力学性质(如弹性、强度等)在空间上分布的非连续性。岩石介质的非均匀性，常常在岩石的力学性质测试中表现出来。试验的结果表明在岩石试样的强度值方面存在很大的离散性。试验结果的差异并不完全是由加载条件等外部因素引起的，岩石的非均匀性是一个重要的影响因素。非均匀性是材料物理力学性质在空间上的非连续性。岩石材料是由矿物集合体和胶结材料的非晶体颗粒组成的，由于成岩机制的差别(沉积岩、变质岩和火成岩)，其力学性质在空间上表现出极大的非均匀性。如果将外力施加在岩石试样上，那么由于岩石结构的非均匀性，在岩石试样内出现的应力分布是相当复杂的，即岩石中的应力分布也相应表现出高度的非均匀性。此外，在岩体内存在着大量的层理、节理、不规则裂纹等等，称为结构。节理是在分布具有一定方向性的规则裂纹，在岩体内分布较广，距离变化较大。在沉积岩中，通常产生垂直层理面的两组节理。层理、节理也可以看作是有确定方向的裂纹。除此之外，岩体内还有无确定方向的不规则裂纹。规则或不规则裂纹间的接触面称为结构面。在张口裂纹中，往往充填有水或其他物质。因此，岩体也可以看作是由岩块组成的地质体。岩体的性质除了决定于岩块的性质外，在很大的程度上还受其结构的影响。结构面除能够降低岩体的强度外，有一些具有一定方向的结构面，还能使岩石体在不同方向上具有不同的性质。这种性质称为各向异性，其表现程度可用各项异性系数来表示。在岩体中，表征其物理性质主要有以下几个量：1）岩石的比重。岩石的比重是岩石固体部分的重量与C04时同体积纯水重量2爆破载荷作用下岩石的物理力学性质的比值。岩石的比重，在数值上等于其密度，它取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量。成岩矿物的比重越大，则岩石的比重越大；反之，则岩石的比重越小。一般岩石的比重为2.50～3.30kg/3m。2）岩石的孔隙性。天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙，是岩石的重要结构特征之一，在工程实践中很难将二者分开，因此统称为岩石的孔隙性。岩石的孔隙性常用孔隙率表示。3）岩石的容重。岩石单位体积（包括岩石内孔隙体积）的重量称为岩石的容重。岩石的容重取决于组成岩石的矿物的成分、孔隙发育的程度及其含水量。岩石容重的大小，在一定程度上反映出岩石力学性质的优劣，一般岩石容重越大，其力学性质就越好；反之，则越差。4）岩石的孔隙率。岩石的孔隙率为岩石中孔隙体积（气相、液相所占体积）与岩石总体积的比值，以百分数表示。岩石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中所占的百分率，孔隙率越大，岩石中孔隙和裂隙就越多，岩石的力学性能则越差，冲击波和应力波在其中的传播速度越低。5）岩石的波阻抗。岩石波阻抗【18】为岩石中纵波速度和岩石密度的乘积。岩石的这一性质与炸药爆炸后传给岩石的总能量以及这一能量传递给岩石的效率有直接关系。即：mmeeCC(2-1)式中：me,分别炸药和岩体的密度；meCC,分别是炸药和岩体的纵波速度。表2.1常见岩石的物理性质Table.2.1physicalpropertyofrocks岩石名称密度/(g·cm-3)容重/(g·cm-3)孔隙率/%纵波速度/(m·s-1)波阻抗/(kg·cm-2·s-1)花岗岩2.6～2.72.56～2.670.5～1.54000～6800800～1900辉绿岩2.85～3.02.8～2.90.6～1.24700～75001800～2300砂岩2.58～2.692.47～2.565.0～253000～4600600～1300石灰岩2.7～12.852.46～2.655.0～203200～5500700～1900白云岩2.5～2.62.3～2.41.0～1.55200～67001200～19002爆破载荷作用下岩石的物理力学性质页岩2.2～2.42.0～2.310～301830～3970430～930板岩2.3～2.72.1～2.570.1～0.52500～6000575～1620大理岩2.6～2.72.45～2.550.5～2.04400～59001200～1700片麻岩2.9～3.02.65～2.850.5～1.55500～60001400～1700石英岩2.65～2.92.54～2.850.1～0.85000～65001100～1900所以通常我们认为选用炸药的波阻抗与岩石的波阻抗相匹配，则能取得较好的爆破效果。还有研究认为，岩石爆破鼓包运动速度和形态、抛掷堆积效果也取决于炸药性质与岩石特征之间的匹配关系，表2.1中列出了常见岩石的密度、容重、孔隙率、纵波波速和波阻抗。2.3.岩石的变形性质及其力学特性2.3.1.岩石的变形特性岩石的变形特性，根据其破坏特征，可以分为弹性、弹塑性、塑性和粘性（粘性又可分为粘弹性和粘塑性）等。1.弹性物体在外力作用下产生变形，没有任何流动和破坏的象征，当外力除去后，物体能够完全恢复原状的性质。弹性分为理想弹性和非理想弹性。理想弹性体在外力作用的同时，立即产生相应的全部变形，在外力解除同时，相应的全部弹性变形立即消失。当外力保持常量时，变形也保持常量。因此理想弹性体的变形过程是一个可逆过程，在它的应力和应变之间有一个确定的单值关系，这种关系可认为是线性的，称为虎克定律。各向同性体的主应力方向与主应变方向重合，且有两个独立的弹性常量：弹性模量E和泊松比。非理想弹性体受到外力后并不立即产生全部弹性变形，而是随着时间的延长逐渐增大到应有的弹性变形值，当外力除去后，它也并不立即恢复原状，而是随时间的延长恢复原状。这种现象也称弹性后效。2爆破载荷作用下岩石的物理力学性质2.塑性物体在外力施加的同时立即产生全部变形，但在外力解除后，物体的变形一点也不恢复，并且永远不会恢复的这种性能，称为塑性。如图2.1-a所示，当y时，应变0，而当y时，则产生全部变形，这种物体称刚塑性体；另外如图2.1-b所示，当y时，物体是弹性的，当y时，产生全部塑性变形，这种物体称为理想的弹塑性体。图2.1塑性物体中的两种状况Fig.2.1Twoinplasticityobjectgrowsstatus3.粘性固体的粘性特征表现于变形要在受力以后一定的时间才能完成。载荷的作用时间越长，物质的抗剪强度越低，受的围压越大，流动性就越明显。4.脆性物体受力后，在变形很小时就发生破裂的性质，叫做脆性。在岩石力学里，Hindin（1966）定义：永久变形或全变形小于300者为脆性破坏，大于500者为塑性破坏，3-500为过渡状态[19]。2.3.2.岩石变形的表示指标根据岩石的应力一应变曲线，即可以确定岩石的变形指标。在工程实践中，常用的岩石变形指标有弹性模量E、泊松比和体积应变V1.弹性模量E岩石的弹性模量E定义为单轴压缩条件下轴向压应力与轴向应变之比E(2-2)对非线性弹性的弹性模量，有以下3种定义：初始模量：0ddE，即过原点的切线斜率；切线模量：pddE，即过任意点P的切线斜率；割线模量：pddE，即任意点P的纵横坐标之比。为便于在国际范围内互相比较，ISMR建议采用下列3种定义之一作为非线弹性岩石的弹性模量[20]：1)c5.0(c为岩石的单轴抗压强度)点相应的切线模量；2)c5.0点相应的割线模量；3)弹性范围内近始直线段的平均斜率。一般地，岩石的弹性模量为20~50GPa。2.泊松比泊松比指单轴压缩条件下岩石的横向应变与纵向应变之比。一般说来，只适用于岩石的弹性变形阶段。2爆破载荷作用下岩石的物理力学性质单轴压缩时，0,0,03211，但.0,0321为轴向应变，32,为横向应变。对各向同性岩石(3)，泊松比的定义表达式为：12（2-3）一般岩石在弹性范围内的15.0~0.35。3.体积应变v岩石单轴压缩时，始终伴随有体积变化。总的特点是：在弹性阶段，体积减小；在塑性阶段，体积增大。岩石在塑性阶段及破坏后阶段的体积增大称为扩容或剪胀现象【20，21】。这一现象近年来已引起了较多的关注。在弹性阶段．岩石的体积应变V定义为1321021VVV（2-4）对理想塑性材料，其0)5.021(,5.01V，即体积不发生变化。2.3.3.岩石的力学性质岩石的力学性质主要表现在当岩石受载后，随应力的增加应力与应变的变化的关系。以及不同的加载速率时，应变的变化规律等。1.单轴应力条件下岩石的应力