在爆炸作用下岩石模型内应力的分布研究

摘 要：工程上利用炸药爆炸的爆炸效应来完成爆破作业，炸药产生的冲击波对岩石造成破坏和损伤，这个过程主要是通过应力波在介质中的传播，本文主要就是测量爆炸作用下岩石中应力的反应情况，从而定性的描述应力波在岩石中的传播。

关键词：应力；应变；应力波；爆炸测试

中图分类号： O643.2文献标识码： A

引言：岩石是一种非常复杂的地质材料，而爆炸加载又是非常复杂的动态加载，完全从理论上去了解和认识该过程是非常不切实际的。因此开展对岩石爆破过程的实验研究，才能对岩石爆破损伤破坏的力学机理做出更准确、更本质的认识和描述。

1.实验测试的内容

实验是用水泥、河砂、水按一定的比例配比（1:2:0.4）制作成出岩石模型。通过在岩石模型中预埋应变片，测试炸药爆炸产生的冲击波测试出岩石模型在不同距离处的应力-应变反应，使用超动态应变仪和数据采集卡获得爆炸过程中岩石不同距离处应力-应变数据，由应变与应力的关系定性地分析炸药在岩石中的衰减机理。由于应变片不能直接的预埋在岩石模型内部，需要制作应变砖以保护被预埋在岩石模型中的应变片[1]。

2.实验步骤

(1)应变砖的制作

为了保护预埋在岩石模型中应变片不受破坏，需要制作应变砖，应变砖的尺寸有一定的要求，即其厚度s≤5.9882㎜，使用的应变砖的外形尺寸：长×宽×高=24mm×11mm×5mm。由于应变砖也预埋在岩石模型的内部，所以制作应变砖的材料与岩石模型的材料配比相同（水泥:河砂:水=1:2:0.4），制作好后养护7天。

(2)岩石模型的制作与应变砖的预埋

基于应力波的反射理论【2】，为了使爆炸应力波[3]在试块界面处为垂直入射，因此模型试块采用直径40㎝、高45㎝的圆柱形模具，水泥砂浆模型采用PC32.5#水泥，普通河砂制作的。预拌前，河砂要先行晾晒数日，以除去砂中大量的水分，再经过0.2cm筛孔，除去砂中贝壳、石子等杂质。将水泥:砂子:水按1:2:0.4的比例混合，混合时间不能超过15min，再将混合好的水泥砂浆装入钢模中。钢模内表面试先涂有机油做模块的脱模剂，模具内的孔眼均用PVC膜覆盖[4]。将水泥砂浆拌匀装入模具，振捣到表面出浆为止，防止水泥砂浆离析。模型完成后在其中间预埋炮孔，孔深30㎜、孔径7mm，距炮孔中心对称的50㎜、160㎜左右处分别水平、垂直预埋两片应变砖，预埋后仍用万能表检测应变砖是否导通，养护28天。

（3）装药

起爆所用的雷管是按实验需求制作的即发雷管，其外径7㎜、内径6㎜、装药高度140㎜、内装3.23gDDNP，用电雷管引火药头引爆 ，把制作的雷管装入岩石模型的炮孔中，堵塞高度为225㎜。

（4）应变测试

在应变砖与超动态应变仪连接前，再次用万能表测试应变砖是否导通。为了保证测试精度，每次测试之前都要进行标定。实际测量时先估计所测应变的大致数值，选择与测试应变值可能较接近的标定档进行标定。

3.测试结果与数据分析

连接完成后，引爆炸药，将岩石模型中产生的应变传送数据采集卡上，记录产生的波形并分析[5]。

R=50mm, 切向=6208.9

R=50mm轴向=5978.0

R=160mm轴向=4720.4

由以上所测的波形图的应变读数经过应力-应变关系式可转化出应力的数值，转化公式如下：

=E （1）

计算出的应力做图如下:

(a) (b)

图4 切向应力和轴向应力衰减图

从图-3(a)和图3-(b)可以看出炸药爆炸产生的冲击波对岩石模型内应力的作用，是随着与爆源距离的增大而逐渐衰减。

4.结论

炸药在岩体内爆炸产生的应力波对岩体的破坏过程，在药包附近岩石中形成冲击波，随着冲击波的向外传播，应力幅值不断衰减，波速不断降低，演变为应力波，应力波的进一步传播、衰减，又演变成地震波。冲击波、应力波、地震波在传播过程中遵循相同的指数规律衰减，只是衰减指数不同。通过实测数据进行整理，得出爆炸产生的应力波在岩石模型内部随着岩石半径的增大而逐渐呈衰减规律【6】。

参考文献：

[1]张继春，彭琼芳.岩体爆破地震波衰减规律的现场试验与分析[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2001，20（4）；399～401

[2]宋守志.固体介质中的应力波[M].北京,煤炭工业出版社,1989

[3]王礼立.应力波基础[M].国防工业出版社，1992

[4]王汉鹏.新型地质力学模型试验相似材料的研制[J],岩石力学与工程学报.2006.6

[5]刘汉承，于卫等.岩石爆破中瞬态应变测试[J],中国力学学会工程爆破专业委员会编，工程爆破文集（第四辑）.北京:冶金工业出版社，1993.

[6]宗琦.爆炸应力波作用造成的岩石破裂区[J].第四届全国岩石动力学学术会议论文集.成都,1994.71～74.