爆炸应力波在层状节理岩体中的传播规律试验研究

作者：郑晓敏

目前对应力波在多个节理岩体中的传播研究多数集中在相互平行的节理岩体。因此，研究层状节理岩体中应力波的传播规律是了解岩体物理力学性质和动力特性的基础，对工程爆破，隧道开挖，地下空间利用等方面有着重要的意义。

    国外学者Thomson W．T．在1950年就开始对层状岩体中应力波的传播规律进行研究，并且基于弹性波理论推导了波传播的矩阵表达式。1979年，武汉岩体力学研究所王靖涛运用复合材料力学理论导出了能够反映层状岩体中轴对称应力场柱面波几何弥散现象的表达式。目前，这方面的研究主要集中在理论方面，其解析方法主要采用线性位移不连续模型和等效连续模型。近年来，也有一些新的解析方法用来研究层状节理岩体中的应力波传播，如Li J．C．提出了改进的等价粘弹性介质方法来研究应力波入射角度、节理厚度、应力波频率等特性对层状节理岩体中应力波传播的影响。ZhuJ．B．等基于分层介质模型，通过研究层状节理岩体充填介质粘性对应力波的影响，得到粘性节理比弹性节理吸收更多的能量，且随着节理层数的增加，透射系数减小。王帅等基于波动理论和位移不连续理论，采用频域分析方法对层状节理岩体中一维SV波的传播规律进行了研究，得到位移透射系数与节理间距变化有较大的关系，而与节理条数关系较小的结论。上述研究均是在理论上分析了部分假设条件下应力波在节理岩体中的传播，且研究的均为单一波形在层状节理岩体中的传播，与实际工程有一定的差异。对于实际工程中的爆炸应力波的研究较少。夏致晰等理论分析了不同强度岩层层面处的透反射与衰减，指出岩层层面处的透反射与衰减主要是由于两侧岩石的波阻抗不同引起的，而对于节理本身对应力波的透反射与衰减未做考虑。基于上述分析，作者通过地质力学模型试验，开展了层状岩体中节理对爆炸应力波传播规律的研究，得到爆炸应力波入射节理的角度对应力波的衰减有较大的影响。全面了解爆炸应力波在节理岩体中的传播规律，将对工程爆破参数的设计与施工具有重要的理论指导意义。

1  爆炸应力波传播试验研究

1.1  试验模型设计与制作

    由于实际爆破工程中，地质条件复杂、现场试验费用高、危险性高等原因，往往无法进行现场试验。因此，在爆破工程研究过程中相似模拟试验应用广泛，其相似模拟主要考虑几何相似、动力相似以及相似材料配比等因素。为了便于试验操作，对模型做了4个方面的简化和假设：①模拟岩体为均质、连续、各向同性的介质；②模拟岩体顶部和侧面无荷载，研究在爆破作用瞬间爆破应力波的传播特征；③模拟节理为水平层状节理，节理面连续；④由于小药量能量衰减快，在周边不设置消波措施，设置测点测试应力波在试验体表面的反射能量。

试验采用Froude比例法，根据某金属矿山地质力学参数，选取用水泥砂浆模拟矿山岩体，5mm厚的阳光板模拟岩石节理，浇筑了有平行节理和完整的2个地质力学试验模型，如图1所示。模型尺寸为：长×宽×高=2 440mm X1 400mm×2 050mm．节理模型预设3个间距均为140mm的节理，模型尺寸与节理布置如图2所示。

1.2试验测试

为了形成爆破作业面，先分别对完整和节理模型进行人工开挖，开挖巷道断面尺寸为：宽度790mm，直墙高390mm，拱高270mm，开挖进尺300mm。然后采用爆破的方式进行开挖，来测试爆炸应力波在节理中的传播特征，测试仪器为成都中科测控有限公司的TC - 4850型爆破测震仪。第1次开挖布置1个炮孔，装药50g，第2次开挖布置了3个炮孔，每孔装药40g，炮孔布置如图3所示。试验测试布置两个测点，第1测点布置在爆源垂直方向，即测点与爆源连线垂直节理面，第2测点布置在爆源斜上方，即测点与爆源连线与节理面成一定角度，测点位置如图2所示。

2试验结果分析

通过对完整地质模型和节理地质模型巷道爆破开挖时爆破震动测试，得到测点1、2的速度时程曲线分别如图4、图5。图中(a)、(b)、(c)分别为第1次爆破时各测点x、yz方向的速度时程曲线；(d)、(e)、(f)分别为第2次爆破时各测点x、y、z方向的速度时程曲线。

通过对图4和图5分析，得到不同测点不同方向上质点速度时程变化特征如下：

    1)在爆破波垂直入射节理面条件下，第1次爆破时，横向（时程曲线中的x方向）有节理模型峰值速度比完整模型明显降低，而在垂直方向（时程曲线中的z方向）和纵向（时程曲线中的y方向）两者峰值速度和时程曲线基本一致。第2次爆破时，横向有节理模型峰值速度比完整模型降低幅度较少，但在垂直方向和纵向有节理模型中峰值速度比完整模型衰减非常明显，纵向和垂直方向速度衰减分别达到70%和54%。由此可以看出，对于不同的方向和不同装药结构，在各方向上的应力波衰减是不一致的。因此，在研究爆破应力波衰减规律时应综合考虑3个方向上的应力波衰减。

    2)当爆破波斜入射节理面传播时，在横向，速度峰值不但没有降低，反而有所增加，垂直方向峰值速度基本保持不变，仅在纵向有明显的衰减。第1次爆破时衰减约80%，第2次爆破时衰减约46%。

    3)节理的存在阻碍了爆炸应力波的传播，因此节理模型峰值到达时刻要比完整模型峰值到达时刻晚。

从上述结论可知，节理的存在阻碍了爆破应力波的传播，且存在各向异性。而在以往的爆破应力波传播规律研究中，一般仅考虑单一方向的应力波传播。所以，同时考虑3个方向的应力波衰减规律是有重要意义的。图6为各测点x、y、z3个方向的速度合成时程曲线，图6中(a)、(b)分别为第1次爆破时1、2号点的速度合成时程曲线，图6中(c)、(d)分别为第2次爆破时1、2号点的速度合成时程曲线。

    从图6可以看出，完整模型质点峰值速度比节理模型质点峰值速度大。测点1第2次爆破时的峰值速度比第1次爆破时的峰值速度略低，且衰减幅度也更大，分析认为第2次爆破时3个炮孔布置间距较远，最上方炮孔离测点1位置最近，试验测得峰值的数据实际上是一个炮孔爆炸时产生的应力波。测点2第2次爆破峰值速度明显大于第1次爆破。这是因为第2次爆破时3个炮孔与测点2距离相差不大，且有两个炮孔与测点2连线未经过节理面，即测点2第2次爆破时的峰值速度为第2次爆破总药量所产生的速度。

3结论

    1)当爆炸应力波垂直入射节理面时，在横向衰减不明显，在垂直方向和纵向上的衰减很明显并且幅度较大，衰减量分别达到70%和54%；当应力波斜入射节理时，横向和垂直方向没有明显的衰减，纵向上的衰减很明显并且幅度较大，衰减量达到80%。主要原因为节理岩体不是理想的完全弹性介质，存在对应力波的吸收作用和内摩擦力，从而产生对能量的吸收和衰减作用。

    2)在研究节理阻碍应力波的传播时，因应力波传播存在各向异性，不能仅考虑单一方向的应力波传播特征；而应该综合考虑3个方向合成的应力波衰减规律。

3)爆炸应力波的传播与装药结构有着重要的关系。爆炸应力波的峰值速度取决于装药的密集程度，当各药包距离超过一定距离时，实际测量的速度时程为最近药包爆破产生的应力波，并非总药量产生的应力波的叠加。

4摘要：为了研究爆炸应力波在岩体中的传播规律，基于相似理论，开展了爆炸应力波在层状节理岩体中衰减的实验研究。研究表明，节理阻碍应力波的传播且存在各向异性；对于垂直或小角度入射节理的应力波，在垂直方向和纵向的衰减很明显并且幅度较大，在横向衰减不明显；对于斜入射节理的应力波，横向和垂直方向没有明显的衰减，纵向的衰减很明显并且幅度较大；应力波的合成峰值速度与炮孑L密集度之间的关系密切，当炮孔间距超过一定距离时，实际测得的速度时程为最近药包爆破产生的应力波，并非总药量产生的应力波的叠加。