爆生气体作用下岩石裂纹的力学行为及扩展模型研究

In the blast working of underground projects such as tunnel construction, over or under break has largely threatened the safety of construction. Crack’s expanding direction and final length under the function of the detonation gases, and the connection form and interaction with the existing fracture are the core problems of increasing the technological level of smooth blasting. In this research, taking the explosion mechanics and linear elastic fracture mechanics as theoretical basis, theoretical analysis, experimental investigation and verification in the field have been combined to study the mechanical behavior and the extended model of the crack under the function of the detonation gases. Firstly, the change of expansion pressure of detonation gases with time will be studied based on the theory of blast mechanics. On this basis, the crack propagation and retardation criteria of crack under expansion pressure of detonation gases will be given based on the linear elastic fracture mechanics methods, and the final length of rock cracks will be calculated. Then, the morphological characteristics such as length and direction and interaction with the existing fracture of blasting cracks will be researched by the morphological characteristics experiments of rock cracks under the function of the detonation gases. And the crack propagation model will be built based on the analytic calculation and laboratory experiments under the function of the detonation gases. This research will enrich and improve the rock blast theory, and provide technical support for increasing the technological level of smooth blasting of the underground projects. Meanwhile, this research has important value on solving the problem of over or under break of tunnel blasting.

在隧道等地下工程爆破施工中，超欠挖现象严重影响隧道施工期安全。如何获得爆生气体作用下岩石裂纹的扩展方向和长度，及其与既有裂隙的贯通形式与交互作用，是提高隧道光面爆破技术水平的核心问题。本项目以爆炸力学及线弹性断裂力学为理论基础，采取实验研究、理论分析与现场实际验证相结合的手段，重点研究爆生气体作用下岩石裂纹的力学行为及其扩展模型。首先，基于爆炸力学理论，获得爆生气体膨胀压力随时间变化规律；在此基础上采用线弹性断裂力学方法，建立爆生气体作用下岩石裂纹的扩展及止裂准则，计算裂纹的最终长度；通过爆生气体作用下岩石裂纹形态特征实验，研究爆生裂纹的长度、方向等形态特征及其与既有裂隙的交互作用；建立基于解析计算与室内实验的爆生气体作用下岩石裂纹扩展模型。本项目的研究，可为丰富和发展岩石爆破理论，提高隧道光面爆破技术水平，提供理论依据与技术支持，对解决隧道等地下工程爆破中的超欠挖问题有重要的价值。

在隧道等地下工程爆破施工中，超欠挖现象严重影响隧道施工期安全。通过对大量隧道超欠挖现象的现场调研发现，当周边孔附近出现倾斜节理时，隧道超欠挖现象尤为明显。如何获得爆生气体作用下岩石裂纹的扩展方向和长度，及其与既有裂隙的贯通形式与交互作用，是提高隧道光面爆破技术水平的核心问题。为解决这一问题，本项目采取试验研究、理论分析与现场验证相结合的手段，重点研究爆生气体作用下岩石裂纹的力学行为及其扩展模型。首先，基于爆炸力学理论，揭示了爆生气体的流动特性，并获得了作用于岩石裂纹上的爆生气体爆轰压力及膨胀压力随时间的变化规律；在此基础上，基于线弹性断裂力学理论，推导了爆生气体作用下岩石裂纹尖端应力场、位移场及应力强度因子的演化规律；同时基于格里菲斯破坏判据，建立了爆生气体作用下岩石裂纹的扩展及止裂准则。另一方面，进行含有倾斜预制裂隙的双炮孔爆破动焦散线试验，采用高速摄影手段，通过各时刻爆生裂纹尖端焦散斑运动规律，获得了裂纹扩展速度、加速度及爆生裂纹尖端应力强度因子的变化规律，同时揭示了爆生裂纹与预制裂隙的交互作用规律，获取了不同节理产状及位置时试件的最终破裂形态，并推导了裂纹最终长度及扩展方向的解析解；最终，通过现场调研，获取了不同节理条件下的隧道爆破效果，结合节理岩体隧道爆破的力学作用，建立相应的力学模型，获得了节理对爆破岩体强度、波阻抗及弹性性质的影响规律；基于波动力学理论，推导了单条及多条节理对爆炸应力波的阻隔作用及其衰减规律，揭示了节理产状对隧道爆破成型效果的影响，建立了爆破作用下岩体破坏模型。本项目的研究，可为丰富和发展岩石爆破理论，提高隧道光面爆破技术水平，提供理论依据与技术支持，对解决隧道等地下工程爆破中的超欠挖问题有重要的价值。