丁晨曦等：切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 895· crack is initiated.Moreover,it determines the difficulty of the wing crack initiation to some extent.When the directional crack is incident obliquely,the stress state of the two ends of the joint is different.The end,which is close to the incident point of the directional crack, exhibits more crack initiation energy so that the crack is initiated and propagated preferentially and a longer wing crack is formed. KEY WORDS slit charge;blasting;open joint;caustics;crack propagation 切缝药包定向断裂控制爆破技术能够有效控 纹扩展过程的影响效应值得深入探讨.基于此，本 制爆炸能量的释放，实现爆生裂纹的定向扩展，从 文结合高速摄影和动态焦散线方法，开展切缝药 而减少周边岩体的超、欠挖，保障岩石井巷的周边 包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的模型实验 成型质量.随着岩石井巷爆破工程量的增加，切缝 研究，分析张开节理对定向裂纹扩展的影响，阐明 药包爆破技术正发挥着越来越重要的作用.近年 定向裂纹作用下的节理起裂和扩展机制， 来，许多科研工作者围绕切缝药包和聚能装药爆 1 爆破模型实验设计 破的基础理论开展了研究-)其中，杨仁树等 通过高速纹影实验和超压测试技术分析了切缝药 1.1试件参数 包爆破后爆炸波动流场的变化规律，指出爆生气 采用有机玻璃(PMMA)作为爆破模型实验的 体优先沿切缝方向释放，切缝方向的应力峰值远 试件材料，PMMA在冲击和爆炸荷载作用下具有 大于非切缝方向的，有利于沿切缝方向优先形成 与岩石材料类似的动态断裂特征，并具有较好的 裂纹.程兵等基于光滑粒子流体动力学方法-有 应力光学特性，被广泛用作爆破模型实验的试件 限单元方法(SPH-FEM)耦合方法研究了切缝药包 材料8-2PMMA的动态弹性模量为6.1GPa,泊 的爆破机理，具体分析了切缝药包爆破的爆轰产 松比为0.31.图1为试件的示意图，试件尺寸为 物膨胀过程、爆轰产物粒子运动速度及炮孔周围岩 400mm×300mm×5mm,在试件上采用激光切割的 体的损伤演化历程.Yue等采用动态焦散线实 方法预制炮孔和节理.具体地，炮孔半径R=4mm, 验方法研究了切缝药包爆破的裂纹扩展行为，发 炮孔中心到节理的垂直距离为40mm,节理MW两 个端点M和N之间的距离为b=40mm,节理左侧 现了相邻炮孔间裂纹相互勾连的分布特征.此外， 面到端点M和N的距离为a.激光切割的线宽约 进一步的研究结果指出切缝药包爆破的定向断裂 为0.3mm,因此，采用激光切割的节理面之间存在 效果主要受到切缝宽度和不耦合系数的影响叨. 约0.3mm的缝隙，试件中的节理为张开节理.根 天然岩体中不可避免地存在节理等缺陷，而 据距离α取值的不同，本模型实验共分为3组进 节理对爆炸应力波的传播和爆生裂纹的扩展都有 行，主要研究节理几何特征对切缝药包爆破定向 着显著的影响0-赵安平等3]认为在节理岩体 裂纹与节理相互作用过程的影响.3组模型实验 中爆破时，炸药爆炸能量主要被限制在炮孔和附 分别记为：Sl组(=0mm,节理为直线型)，S2组 件的节理面之间，从而导致炮孔附近区域过于破 (-10mm,节理为半椭圆型)，S3组(=20mm,节 碎，不利于爆破能量的有效利用.谢冰等指出 理为半圆型).每组进行3次重复实验 炮孔间的节理对预裂爆破成缝效果有显著的影 响，预裂缝沿炮孔连线方向的平直程度随节理与 400mm 炮孔连线夹角的增大而逐渐趋于平直.进一步的 研究结果表明，受压闭合节理在爆炸应力波的作 R=4 mm Borehole 用下会在节理端部起裂并扩展形成翼裂纹，该翼 Jont、 裂纹的起裂角度和扩展形态受到初始压应力和爆 h=40 mm 40mm 炸应力波的共同影响1此外，岩石爆破效果还受 到节理方位和节理角度的影响6-) Explosive ◆Slit direction 由此可见，有关切缝药包爆破机理的研究已 经取得丰富研究成果，爆破荷载作用下含节理岩 -Slit tube 体的动态响应也越来越受到人们的关注.然而.切 5 mm 缝药包爆破作用下的节理起裂和扩展等动态行为 图1试件示意图 的研究还不够深入，节理对切缝药包爆破定向裂 Fig.1 Diagram of the specimencrack is initiated. Moreover, it determines the difficulty of the wing crack initiation to some extent. When the directional crack is incident obliquely, the stress state of the two ends of the joint is different. The end, which is close to the incident point of the directional crack, exhibits more crack initiation energy so that the crack is initiated and propagated preferentially and a longer wing crack is formed. KEY WORDS    slit charge；blasting；open joint；caustics；crack propagation 切缝药包定向断裂控制爆破技术能够有效控 制爆炸能量的释放，实现爆生裂纹的定向扩展，从 而减少周边岩体的超、欠挖，保障岩石井巷的周边 成型质量. 随着岩石井巷爆破工程量的增加，切缝 药包爆破技术正发挥着越来越重要的作用. 近年 来，许多科研工作者围绕切缝药包和聚能装药爆 破的基础理论开展了研究[1−3] . 其中，杨仁树等[4] 通过高速纹影实验和超压测试技术分析了切缝药 包爆破后爆炸波动流场的变化规律，指出爆生气 体优先沿切缝方向释放，切缝方向的应力峰值远 大于非切缝方向的，有利于沿切缝方向优先形成 裂纹. 程兵等[5] 基于光滑粒子流体动力学方法−有 限单元方法（SPH−FEM）耦合方法研究了切缝药包 的爆破机理，具体分析了切缝药包爆破的爆轰产 物膨胀过程、爆轰产物粒子运动速度及炮孔周围岩 体的损伤演化历程. Yue 等[6] 采用动态焦散线实 验方法研究了切缝药包爆破的裂纹扩展行为，发 现了相邻炮孔间裂纹相互勾连的分布特征. 此外， 进一步的研究结果指出切缝药包爆破的定向断裂 效果主要受到切缝宽度和不耦合系数的影响[7−9] . 天然岩体中不可避免地存在节理等缺陷，而 节理对爆炸应力波的传播和爆生裂纹的扩展都有 着显著的影响[10−12] . 赵安平等[13] 认为在节理岩体 中爆破时，炸药爆炸能量主要被限制在炮孔和附 件的节理面之间，从而导致炮孔附近区域过于破 碎，不利于爆破能量的有效利用. 谢冰等[14] 指出 炮孔间的节理对预裂爆破成缝效果有显著的影 响，预裂缝沿炮孔连线方向的平直程度随节理与 炮孔连线夹角的增大而逐渐趋于平直. 进一步的 研究结果表明，受压闭合节理在爆炸应力波的作 用下会在节理端部起裂并扩展形成翼裂纹，该翼 裂纹的起裂角度和扩展形态受到初始压应力和爆 炸应力波的共同影响[15] . 此外，岩石爆破效果还受 到节理方位和节理角度的影响[16−17] . 由此可见，有关切缝药包爆破机理的研究已 经取得丰富研究成果，爆破荷载作用下含节理岩 体的动态响应也越来越受到人们的关注. 然而，切 缝药包爆破作用下的节理起裂和扩展等动态行为 的研究还不够深入，节理对切缝药包爆破定向裂 纹扩展过程的影响效应值得深入探讨. 基于此，本 文结合高速摄影和动态焦散线方法，开展切缝药 包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的模型实验 研究，分析张开节理对定向裂纹扩展的影响，阐明 定向裂纹作用下的节理起裂和扩展机制. 1    爆破模型实验设计 1.1    试件参数 采用有机玻璃（PMMA）作为爆破模型实验的 试件材料，PMMA 在冲击和爆炸荷载作用下具有 与岩石材料类似的动态断裂特征，并具有较好的 应力光学特性，被广泛用作爆破模型实验的试件 材料[18−21] . PMMA 的动态弹性模量为 6.1 GPa，泊 松比为 0.31. 图 1 为试件的示意图，试件尺寸为 400 mm×300 mm×5 mm，在试件上采用激光切割的 方法预制炮孔和节理. 具体地，炮孔半径 R=4 mm， 炮孔中心到节理的垂直距离为 40 mm，节理 MN 两 个端点 M 和 N 之间的距离为 b=40 mm，节理左侧 面到端点 M 和 N 的距离为 a. 激光切割的线宽约 为 0.3 mm，因此，采用激光切割的节理面之间存在 约 0.3 mm 的缝隙，试件中的节理为张开节理. 根 据距离 a 取值的不同，本模型实验共分为 3 组进 行，主要研究节理几何特征对切缝药包爆破定向 裂纹与节理相互作用过程的影响. 3 组模型实验 分别记为：S1 组 （a=0 mm，节理为直线型），S2 组 （a=10 mm，节理为半椭圆型），S3 组（a=20 mm，节 理为半圆型）. 每组进行 3 次重复实验. 300 mm 400 mm R=4 mm Borehole Slit tube Explosive Slit direction 40 mm 5 mm b=40 mm a M N Joint 图 1    试件示意图 Fig.1    Diagram of the specimen 丁晨曦等： 切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 · 895 ·