巖石的剪切破壞特性

巖石的剪切破壞特性

切縫藥包爆破技術巖石的承受力和抗壓強度遠低于抗壓強度。因此，為了獲得良好的光面爆炸效果，必須創(chuàng)造條件，通過拉應力或剪切應力確定預測的破裂方向。光面爆破主要采用光面孔同時起爆,在相鄰孔炮孔連心線上形成拉應力疊加,使爆破裂隙沿光面孔連心線發(fā)展并貫通而形成光面。為了提高光面爆破效果,人們進一步提出了切縫藥包爆破技術,并論述了爆破能量在套管切縫處聚集,使爆破裂紋優(yōu)先從切縫方向形成。首先進行巖石試件的沖擊試驗,分析巖石在剪切作用下形成的裂隙效果,進而通過切縫藥包爆破的數(shù)值模擬,獲得不同時刻的最大剪應力云圖,表明切縫藥包爆破將在切縫處產(chǎn)生明顯的剪應力作用,使爆破裂紋首先在切縫方向的炮孔壁形成和發(fā)展,由此獲得好的斷裂控制爆破效果,從而進一步深化了切縫藥包爆破機理研究。1巖石剪切力的影響實驗為了分析巖石在剪應力作用下的損傷情況,進行了巖石沖擊損傷實驗。1.1硬鋁ly12飛片試件實驗在一級輕氣炮(炮管口徑75mm)上進行。采用硬鋁LY12飛片對巖石試件進行非對稱碰撞。飛片直徑40mm、厚度4mm,試件直徑60mm、長度60mm;飛片對巖石的撞擊壓力1722.8MPa。1.2潤損傷試樣的測試觀察為了能保持巖石試件沖擊損傷后的原狀,以便觀察(包括剖切觀察)巖石試件的損傷特性和分析動態(tài)損傷作用機理,采用碰撞端開口的圓形盒式軟回收裝置,即在鐵質(zhì)外殼內(nèi)置膠質(zhì)墊片,以便減少碰撞時回收盒對試件的約束作用。沖擊實驗后,用502膠浸潤損傷的試件,待其固結(jié)后再取出進行外觀和縱向剖切觀察,分析巖樣的損傷特性。由沖擊實驗后巖石試件的沖擊面和剖切面的破壞情況(見圖1)可知:受飛片直接撞擊的部分(即撞擊面中心部分)破壞相對較小,飛片與試件撞擊面的外圍以及試件底部產(chǎn)生較嚴重的破壞。飛片直接撞擊的部分與撞擊面外圍的交界處產(chǎn)生明顯的破壞裂隙。很顯然,飛片直接撞擊部分受到三向壓縮應力,由于巖石的抗壓強度大,因此破壞程度較小。飛片與巖石試件撞擊面的外圍產(chǎn)生嚴重的拉伸破壞,壓應力波傳播到試件底部產(chǎn)生嚴重的反射拉伸破壞。值得注意的是由于飛片直徑小于試件直徑,飛片撞擊試件時,與試件接觸的中部和未接觸的外圍的交界處受力不均,產(chǎn)生剪應力作用,以致出現(xiàn)明顯的剪切破壞帶。如圖2所示?？梢娫诩魬ψ饔孟?巖石具有明顯的斷裂破壞特性。2切縫藥包爆破壓力突變的影響切縫藥包爆破的爆轟氣體在切縫處直接作用于孔壁巖體,其余部分則通過半圓套管間接作用于巖體,因此,切縫藥包爆破的炮孔壁壓力出現(xiàn)不均勻分布,尤其是在套管間隙(即切縫)處的壓力發(fā)生突變,將會產(chǎn)生剪應力作用。為了進一步分析切縫藥包爆破的剪應力作用,利用ANSYS建立模型,LS-DYNA進行求解,進行了切縫藥包爆破的數(shù)值模擬。2.1模型結(jié)構(gòu)及不耦合系數(shù)切縫藥包爆破的計算模型尺寸為45cm×45cm×22.5cm,如圖3所示。模型Y=0和Y=-45的面設為無反射界面用來模擬無限域,Z=0為對稱面,其余面為自由面,整個計算模型單位制采用cm-g-μs,計算終止時間為200μs。選用TNT高能炸藥,密度1.66g/cm3,爆速0.6cm/μs,C-J壓力為0.27×105GPa。切縫導管(PVC-U管)密度1.43g/cm3,拉伸屈服強度50—55MPa,彈性模量3×103MPa。采用不耦合裝藥,不耦合系數(shù)為2,導管兩側(cè)對稱切縫,切縫位于左右方向。采用孔底起爆。2.2不同切縫單元的壓力場分布切縫藥包爆破時剪應力作用的模擬結(jié)果如圖4,圖4中給出了不同時刻Y=-25cm(即裝藥位置)剖面的最大剪應力云圖。由圖4可見,起爆后僅12.998μs,在炮孔的切縫方向(左右)便對稱地出現(xiàn)了較強的剪應力作用,且迅速發(fā)展,而其他方向則沒有剪應力作用。圖5給出了距炮孔底部相同高度處A、B特征單元在不同時刻的壓力場分布情況,A單元位于切縫方向,B單元位于半圓套管靠近切縫處的方向,A單元壓力峰值為910MPa,B單元壓力峰值為710MPa,正是由于切縫處存在的這種壓力差,使該處產(chǎn)生較強的剪應力作用。巖石的抗剪強度較小,這種剪應力的作用使裂隙很容易沿著切縫方向起動并發(fā)展,從而起到良好的爆破斷裂控制作用。3切縫藥包爆破技術1)巖石沖擊損傷試驗結(jié)果表明,當巖石受力不均時,形成剪應力,巖石抗剪強度小,在剪切作用下容易形成剪切破壞面。2)切縫藥包爆破由于爆破能量通過半圓套管間接作用于炮孔壁,在切縫處爆破能量直接作用于孔壁,所以在半圓套管與切縫交接處產(chǎn)生壓力不均,形成剪切作用。切縫藥包爆破的數(shù)值模擬結(jié)果很好地說明了剪