钻孔爆破过程中炮孔远区爆炸荷载的实验研究.pdf

第3 6 卷第3 期 爆破 V 0 1 ．3 6N o ．3 2 0 1 9 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 9 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 9 ．0 3 ．0 0 1 钻孔爆破过程中炮孔远区爆炸荷载的实验研究 明胜1 ，姚颖康2 ，孙金山1 ，谢先启2 ，贾永胜2 ，黄小武2 1 ．中国地质大学 武汉 ，武汉4 3 0 0 7 4 ；2 ．武汉爆破有限公司，武汉4 3 0 0 2 3 摘要为了研究钻孔爆破过程中炮孔远区的爆炸荷载作用特征，以高层建筑物钢筋混凝土立柱为原型， 建立了1 1 物理模型，采用圆柱形乳化炸药进行钻孔爆破试验，并对立柱的钻孔爆破过程进行高速摄影及应 变监测。监测结果表明采用延期雷管起爆时炮孔存在明显的起爆时间的不一致现象，这导致炸药爆炸荷载 作用下立柱破坏过程的渐进性，同时立柱保留区爆炸荷载具有显著的多峰性及互相叠加现象。采用空气间 隔装药药包长度为1 0 ～3 0e m 时，爆炸荷载作用时间在0 ．1 ～1m s 之间，且加载应变率大于卸载应变率。基 于试验结果，构建了爆炸荷载的三角形荷载函数，并通过一维直杆波动力学模型，对炮孔远区的应变时程曲 线进行了模拟。与监测结果对比表明采用三角形爆炸荷载函数可较准确的模拟炮孔远区的爆炸荷载。同 时，对于采用延期雷管的多炮孔爆破的模拟，多峰值三角形爆炸荷栽函数更为适用。 关键词模型试验；爆炸荷栽；应变监测；波动模型 中图分类号T U 7 4 6文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7x 2 0 1 9 0 3 0 0 0 1 0 8 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nE x p l o s i v eL o a df a r f r o mB o r e h o l e sd u r i n gE n g “ “ gB l a s t i n 9 1 5 l a s t i n t M I N GS h e n 9 1 ，Y A Or i n g k a n 9 2 ，S U NJ i n s h a h l ，X I EX i a n q i 2 ，J I AY o n g s h e n 9 2 ，H U A N GX i a o W U 2 1 ．C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s W u h a n ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ； 2 ．W u h a nB l a s t i n gC o m p a n y ，W u h a n4 3 0 0 2 3 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x p l o s i v el o a d i n gf a rf r o mt h eb o r e h o l e sd u r i n gt h eb l a s t i n g p r o c e s s ，t a k i n gt h er e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u m no fh i g h r i s eb u i l d i n ga st h eo b j e c t i v e ，a1 1p h y s i c a lm o d e lw a se s t a b - l i s h e d ，t h ec y l i n d r i c a le m u l s i f i e de x p l o s i v ew a su s e df o rt h ed r i l l i n ga n db l a s t i n gt e s t s ，a n dt h eh i g h - s p e e dp h o t o g r a - p h ya n ds t r a i nm o n i t o r i n go ft h eb l a s t i n gp r o c e s so ft h ec o l u m nw e r ec a r r i e do u t ．T h em o n i t o r i n gr e s u l t ss h o w e dt h a t t h e r ew a sa ni n c o n s i s t e n c yi nt h ed e t o n a t i o nt i m eo ft h eb o r e h o l e sw h e nt h ed e t o n a t o r sw e r ei n i t i a t e d ，w h i c hl e a dt o t h ec o l u m nr u p t u r es t e pb ys t e pu n d e rt h ee x p l o s i v el o a d ．T h ee x p l o s i o nl o a do nt h er e t a i n i n gp a r to ft h ec o l u m nh a d s i g n i f i c a n tm u h i m o d a l i t ya n ds u p e r p o s i t i o n ．W h e nt h el e n g t ho ft h ec h a r g ew a s1 0 ～3 0e m ，t h et i m eo fe x p l o s i o nl o a d w a sa b o u t0 ．1 ～1m s ，a n dt h el o a d i n gs t r a i nr a t ew a sg r e a t e rt h a nt h eu n l o a d i n gs t r a i nr a t e ．B a s e do nt h ee x p e r i m e n - t a lr e s u l t s ，at r i a n g u l a rl o a df u n c t i o no ft h ee x p l o s i o nl o a dw a sp r o p o s e d ，a n dt h es t r a i nt i m eh i s t o r yc u r v eo ft h e s t r a i g h tr o du n d e re x p l o s i v el o a dw a ss i m u l a t e db yao n e - d i m e n s i o n a ld y n a m i cm o d e l ．C o m p a r e dw i t ht h em o n i t o r i n g r e s u l t s ，i ts h o w e dt h a tt h et r i a n g u l a re x p l o s i v el o a df u n c t i o nc o u l da c c u r a t e l ys i m u l a t et h ee x p l o s i v el o a di nt h er e t a i n i n gp a r to ft h ec o l u m nf a rf r o mt h eb o r e h o l e s ．A tt h es a m et i m e ，t h em u l t i p e a kt r i a n g u l a rb l a s tl o a df u n c t i o nw a s m o r es u i t a b l ef o rt h es i m u l a t i o no fm u l t i - b o r eb l a s t i n gw i t hd e l a yd e t o n a t o r s ． K e yw o r d s m o d e le x p e r i m e n t ；e x p l o s i v el o a d ；s t r a i nm o n i t o r i n g ；w a v em o d e l 万方数据 2爆破2 0 1 9 年9 月 炸药爆炸是一个十分复杂的瞬态作用过程，迄 今还没有一个完整而准确的爆炸作用理论。目前对 爆炸作用的研究主要集中在爆破作用下岩体中应力 波的传播与衰减规律、岩体动态破坏机理以及岩体 振动特征等方面[ 1 ] 。而对于爆炸荷载的作用形式 及特征等方面研究较少。在实际工程应用及等效模 拟中，主要以半理论半经验的三角形荷载为主[ 2 引， 这些成果从理论上真正描述工程爆破中爆炸荷载的 作用形式仍有一定的差距。同时，在爆炸荷载的作 用时间方面，目前的研究结果也存在较大差异。 由于实验室内小型爆炸试验无法真实反映爆炸 过程中爆炸荷载的具体作用形式，等效数值模拟等 手段对爆炸的研究也与实际爆破存在很大偏差，因 而通过真实混凝土立柱爆炸试验，对爆破介质破碎 过程进行了研究，分析了爆炸荷载的作用特征，并建 立一维弹性杆理论模型，对钻孔爆破过程中炮孔远 区的爆炸荷载作用过程进行了研究。 1 模型实验 钢筋混凝土构件爆破破坏的过程非常复杂，采 用简化力学模型和数值模拟分析时诸多参数难以准 确确定，为此开展了室外和现场爆破实验，对爆破破 坏及动态响应特征进行了研究。 1 ．1 实验方案 钢筋混凝土立柱爆破模型实验为1 1 实验。立 柱截面尺寸9 0 0m m 9 0 0m m ，高4 0 0 0m m ，立柱底 部为1 5 0 0m m 1 5 0 0m m 5 0 0m m 的基础。混凝土 标号C 4 0 ，钢筋为H R B 3 3 5 。主筋2 4 根，直径 2 2m m 。采用复合箍筋，箍筋直径1 0m m ，沿立柱轴 线方向的间距1 0 0m m 。 整个立柱设6 行装药孔，共1 5 个，自上而下每 行分别布置2 、3 、2 、3 、2 、3 个炮孑L ，炮孔深度为 6 5 0m m ，行距3 0 0m m 。爆破实验采用圆柱状乳化 炸药，直径3 2m m ，长2 0 0m m ，重量为2 0 0g 。采用 空气间隔装药，3 个中间炮孑L 装药3 0 0g ，装药长度 为3 0 0I n n ，堵塞段长度3 0 0m m ；其余每个炮孔均装 药2 0 0g ，分两段装药，每段l O O g ，装药间隔2 0 0m m ， 堵塞段长度2 5 0m m 。整个立柱共装药3 3 0 0g 。雷 管为毫秒延期塑料导爆管雷管，型号为M S l 9 ，延期 时间为1 7 0 0m s ，1 5 个炮孔同时起爆。具体布孔方 收稿日期2 0 1 9 0 4 3 0 作者简介明胜 1 9 9 5 一 ，男，硕士研究生，主要从事岩石动力学 与工程爆破相关研究， E ．m a i l 1 5 2 8 2 5 0 7 0 3 q q ．t o m 。 通讯作者孙金山 1 9 8 0 一 ，男，副教授、博士，主要从事地下工程与 工程爆破方面研究工作， E m a i l s u n 9 9 0 0 1 1 2 6 ．t o m 。 基金项目国家自然科学基金 4 1 3 7 2 3 1 2 式及装药结构如图1 所示。 图1 模型实验方案示意图 单位m m F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h em o d e le x p e r i m e n t u n i t - “ n l n 1 炮孔爆炸过程中立柱的破碎过程通过2 5 帧／s 高清网络摄像头和5 0 0 0 帧／s 高速摄像机进行爆破 过程监控。在模型截面中部放置两个应变砖，分别 距顶部6 0 0m m 及底部4 0 0m m ，测试竖向应变，应 变采用动态应变仪进行采集，采样频率为1M H z 。 1 ．2 立柱爆破破坏过程 模型实验的视频监测结果显示 如图2 ～图5 所示 ，炸药爆炸时钢筋混凝土立柱的破坏过程较 为复杂，约在2 0 0m s 内完成，大致可分为以下几个 过程 图2 第1 个炮孑L 起爆 F i g ．2 T h ef i r s tb o r e h o l ed e t o n a t e d 第2 行靠近边界的炮孔首先起爆，堵塞炮泥冲 一l引1 一l引1 万方数据 第3 6 卷第3 期明胜，姚颖康，孙金山，等钻孑L 爆破过程中炮孔远区爆炸荷载的实验研究3 出后，炮孑L 附近侧面混凝土发生破坏，且混凝土碎块 初始呈片状。随后碎块发生弯曲破碎，而在立柱表 面下约1 0e m 处产生新的纵向裂纹，裂纹自炮孔位 置向上下各延伸约7 0c m ，而片落的混凝土块随后 破碎并向外抛掷。在此过程中立柱背面混凝土未见 明显的鼓包破坏现象，可推断在该炮孔内间隔装药 的两节药卷靠近堵塞段先发生爆轰，孑L 底炸药和雷 管可能并未同时起爆。 图3 第2 个炮孑L 起爆 F i g ．3 T h es e c o n db o r e h o l ed e t o n a t e d 图4 第3 个炮孑L 起爆 F i g ．4 T h et h i r db o r e h o l ed e t o n a t e d 图5 其他炮孔起爆 F i g ．5 O t h e rb o r e h o l e sd e t o n a t e d 第5 行的左侧炮孔起爆时，孔口堵塞物先冲出， 同时，立柱背面混凝土发生破坏，孑L 底处大量爆生气 体溢出，并抛掷出少量的混凝土碎块。根据混凝土 破坏特征，该采用间隔装药的炮孔内孔底药卷应先 起爆，由于孔底抵抗线小于两侧，使孔底混凝土首先 发生破坏。随后，立柱侧面保护层混凝土同样产生 大量裂纹，形成了片状碎块，且炮孔与“保护层破坏 区”间的径向裂纹并不多，仅可见1 ～2 条大型裂 纹。 第3 个和后续炮孔起爆后 如图4 、图5 ，炮孔 造成的破坏与已发生的破坏相叠加，平行于炮孑L 方 向混凝土开始隆起破裂，大量混凝土碎块被抛掷飞 散。在此过程中，可见堵塞端和孔底端首先冲出的 爆生气体携带的粉尘浓度较高，这是因为堵塞物冲 击后“粉化”形成粉尘，而孑L 壁处粒径较小的岩粉同 样也随着气体逸出。 爆破后，立柱下部混凝土完全破碎并抛出，混凝 土呈粉碎状，碎块集中在立柱底部，钢筋发生弯曲， 弯曲挠度为3 0 ～5 0m m ，爆破效果如图6 所示。 躺 忘矗 图6 爆破效果 F i g ．6B l a s t i n ge f f e c t 2 炮孔远区介质的动态应变特征 2 ．1 介质总体动态应变特征 立柱爆破过程中，顶部和底部应变砖的应变时 程曲线测试结果表明 如图7 ～图9 ，自采集到第 一次爆炸冲击应变开始至最后一次为止，共采集到 6 次明显的应变波动信号，共持续了约2 5 0m s 。 寸川／m s 图7 模型顶部应变砖竖直向应变曲线 F i g ．7 V e r t i c a ls t r a i nc u r v eo ft h et o ps t r a i nb r i c k 与视频监控结果相对应，立柱爆破采用长延时 雷管时，其延期时间误差较大，1 5 个炮孔的起爆时 间并不一致，各次波形压缩相峰值的时间间隔分别 万方数据 4爆破2 0 1 9 年9 月 为5 0m s 、5 7 ．4m s 、2 6 ．2m s 、1 3 ．1m s 、2 7 ．8m s 。 2 0 0 0 1 0 0 0 、- d 0 杈 目一1 0 0 0 2 0 0 0 F i g ．8 2 5 0 0 2 0 0 0 k1 5 I 螽1 0 0 0 智5 1 1 0 - 5 0 } 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 时间／m - 冈8 模型底部应变砖竖直向应变曲线 V e r t i c a ls t r a i nC U l v eo ft h eb o t t o ms t r a i nb r i c k ．．姝 一 I ． 05 01 0 01 5 02 n n 时问／m s 图9 模型底部钢筋竖直向应变曲线 F i g ．9 V e r t i c a ls t r a i nC H I v eo ft h eb o t t o ms t e e lb a r 因此，延期雷管的延期误差导致炮孔难以完全 同时起爆，且其误差较大或装药长度较短时，延期误 差大于炸药的爆轰时间，炸药的爆炸冲击和破坏过 程在时间域上都是间断性的。 2 ．2 爆炸荷载加载与卸载历程特征 应变砖数据线布置于立柱外，受爆炸空气冲击 波和飞石的影响强烈，因此，模型爆破前期采集的数 据可靠度较高，而后期数据可能存在失真的问题，因 此，对单个炮孔爆破时的爆破加载和卸载过程分析 时主要选取前期的波形。 如图1 0 和1 1 所示，上部第2 行靠近侧边炮孔首 先起爆时，顶部应变砖距离炮孑L 垂直距离约为1 ．41 T I ， 底部应变砖距离炮孑L 垂直距离约为1 ．6i n 。应变时 程曲线显示，两测点的峰值压应变约为一2 8 2 8 和 一2 7 1 仙s 。而由于立柱顶部为自由边界，应力波反射 后在上部应变砖处形成拉伸相应变波形。而下部应 变砖处则未产生显著的反射拉伸波形。 如图1 2 、图1 3 所示，第2 次第5 行炮孔起爆时， 顶部应变砖距离炮孔的垂直距离为2 ．6n l ，底部应 变砖距离炮孔垂直距离为0 ．4i n 。因两测点与炮孑L 距离相差很大，其应变曲线也存在显著变化，两测点 的峰值压应变约为一2 3 1 汕8 和一2 1 8 0 肌s 。而在此 过程中顶部和底部测点均出现显著的反射波，但底 部反射波的波形与入射波波形存在较大差异。其原 因是立柱底部为1 ．5I n 1 ．5m 的扩大基础，基础下 为土质地基，其反射和振动过程变的复杂。 图1 0 第1 个炮孔起爆时模型顶部应变砖竖直向应变曲线 F i g ．10 V e r t i c a ls t r a i nc u r v eo ft h et o ps t r a i nb r i c k w h e nt h ef i r s tb o r e h o l ei Sd e t o n a t e d J 叫／m s 图11 第1 个炮孔起爆时模型底部应变砖竖直向应变曲线 F i g ．1 lV e r t i c a ls t r a i nc u r v eo ft h eb o t t o ms t r a i nb r i c k w h e nt h ef i r s tb o r e h o l ei sd e t o n a t e d 图1 2 第2 个炮孔起爆时模型顶部应变砖竖直向应变曲线 F i g ．1 2V e r t i c a ls t r a i nc u r v eo ft h et o ps t r a i nb r i c k w h e nt h es e c o n db o r e h o l ei sd e t o n a t e d 图1 3 第2 个炮孔起爆时模型底部应变砖竖直向应变曲线 F i g ．13 V e r t i c a ls t r a i nc u r v eo tt h eb o t t o ms t r a i nb r i c k w h e nt h es e c o n db o r e h o l ei Sd e t o n a t e d 万方数据 第3 6 卷第3 期明胜，姚颖康，孙金山，等钻孑L 爆破过程中炮孔远区爆炸荷载的实验研究5 监测结果表明，炸药爆轰后爆炸荷载随孑L 壁附 近介质的破坏而迅速降低，空气间隔装药时距离炮 孔直径1 0 倍处的压应变达到约2 0 0 0I ．z s ，产生的附 加压应力峰值约6 0M P a ，可引起混凝土材料的损 伤。而随着距离的增大，应变和应力的衰减速度显 著降低。 2 ．3 爆炸荷载作用时间历程特征 炸药爆炸过程极其复杂，很难通过直接手段测 量爆炸作用时间及炮孑L 作用压力，因而许多学者在 理论分析的基础上提出了炮孔压力模型，并通过爆 炸试验得到了相应爆炸荷载的作用时间，如朱瑞庚 和杨建华等人的计算显示炮腔压力约在几百微秒内 衰减[ 6 , 7 1 ；张正宇认为爆炸应力波持续时间约为 1 0 一～1 0 ～S ，爆生气体压力作用时间约为1 0 ～～ 1 0 ～s 左右【8J 。卢文波等针对柱状装药孔底起爆方 式，提出了爆炸荷载作用持续时间的计算模型[ 9 ] 。 实际钻孔爆破过程中炮孔爆炸荷载的特征实验研究 相对较少。 以最大荷载峰值作为爆炸荷载加载与卸载作用 的临界点，分析爆炸荷载作用时间特征，如表1 所 示，在炮孔直径为4 2m m 采用空气间隔装药工况 下，爆炸荷载的平均加载时间约为0 ．2m s ，炮孑L 远 区应变率约为1S 一，而1 0 倍炮孔直径处则可达到 1 6 ．8S ～。而爆炸荷载卸载时间为0 ．5m s 左右，应 变率的变化范围较大。 表1立柱中测点应变时间历程特征 T a b l e1S t r a i nt i m eh i s t o r yc h a r a c t e r i s t i c so fm o n i t o r i n gp o i n t si nt h ec o l u m n 2 ．4 钢筋弯曲引起的拉应变特征 如图1 4 、图1 5 模型底部钢筋的动态应变曲线 所示，炮孑L 远区介质在爆炸荷载冲击下的响应过程 主要分为压缩、拉伸、振动至平衡状态三个阶段。而 达到静力平衡后距离炮孔较近的介质最终产生了不 可恢复的拉伸应变，其原因是波的反射所产生的拉 应力，以及炸药爆炸和抛掷过程中纵向钢筋的强烈 拉伸作用使混凝土发生了不可恢复的拉伸损伤。 图1 4 第1 个炮孔起爆时模型底部钢筋竖直向应变曲线 F i g ．1 4 V e r t i c a ls t r a i nc u r v eo ft h eb o t t o ms t e e lb a r w h e nt h ef i r s tb o r e h o l ei sd e t o n a t e d 监测结果表明，立柱纵向钢筋受力过程与混凝 土存在较显著的差异。爆炸荷载升压阶段，钢筋同 样先受到压缩作用。但随着爆炸荷载的卸压，钢筋 的拉伸应变持续增大至1 3 0 0 ～2 2 0 0 肛￡，其应变率 小于爆炸荷载的加载和卸载过程，但量级一致。其 中，第一次爆破后，应变恢复至0 附近，而第二次爆 破后钢筋则产生了不可恢复的应变。 图1 5 第2 个炮孔起爆时模型底部钢筋竖直向应变曲线 F i g ．1 5 V e r t i c a ls t r a i nC H I V eo ft h eb o t t o ms t e e lb a r w h e nt h es e c o n db o r e h o l ei sd e t o n a t e d 对比立柱中心的应变砖和边缘钢筋的时程曲线 可发现 如表2 和表3 ，混凝土爆破导致钢筋发生 弯曲时，钢筋承受了强烈的拉伸作用，若钢筋和混凝 土发生的应变量值相同，则距离炮孔较远的区域也 可造成保护层混凝土开裂。其次，混凝土抛掷导致 的钢筋弯曲拉伸作用时间达到数毫秒，显著大于爆 炸加载和卸载作用时间，但其应变率则与爆炸卸载 阶段应变率接近。 万方数据 6爆破2 0 1 9 年9 月 表2 爆炸冲击作用下立柱轴向受力钢筋应变时间历程特征 T a b l e2S t r a i nt i m eh i s t o r yo fa x i a l l yl o a d e d s t e e lb a r su n d e rb l a s t i n gi m p a c t 表3 钢筋弯曲作用下应变时间历程特征 T a b l e3S t r a i nt i m eh i s t o r yc h a r a c t e r i s t i c s o fs t e e lb a r su n d e rb e n d i n g 3 爆炸荷载简化力学模型 3 ．1 爆炸荷载多峰值数学模型 目前国内外对于爆炸荷载的作用形式主要还是 以半经验理论公式为主，在工程实践中使用的比较 多的主要有三角形荷载形式及双指数荷载形式。卢 文波0 I 、许红涛等通过数值模拟方法验证了在炮孔 远区等效荷载形式与数值结果较为一致[ 1 1 | ，有限元 模拟中等效三角形荷载模拟炮孑L 中远区的爆炸荷载 作用具有较好的精度。 试验研究结果表明，不考虑雷管延时误差的情 况下，炮孔远区的单炮孔爆炸荷载作用时程曲线更 为接近三角形荷载作用曲线，如图1 6 所示。 图1 6 单一炮孔爆炸荷载作用模型 F i g ．1 6S i n g l ee x p l o s i v el o a dm o d e l 实际工程爆破过程中，由于雷管起爆误差等因 素的影响，炸药的爆炸在时间上是间歇性的，以往的 单荷载函数或同步叠加函数均与实际存在很大的差 距，真实的爆炸荷载作用模式需考虑荷载间隔时间 的影响。而模拟钻孔爆破爆炸荷载应采用多峰值爆 炸荷载函数。在整个结构的爆破过程中，荷载函数 由式 1 表示，作用形式如图1 7 所示。 P 。 t 0 ，f ≤t f 一1 去⋯H ， “⋯i 意⋯小阶小⋯Ⅲ 0 ，￡≥≠i l i 1 ，2 ，⋯，n 1 图1 7多峰值爆炸荷载作用模型 F i g ．1 7M u l t i p e a ke x p l o s i v el o a dm o d e l 3 ．2 爆炸荷载作用下直杆波动力学模型 为了验证钻孔爆破过程中炮孑L 远区爆炸荷载的 作用形式的准确性，构建了一维直杆的波动力学模 型，如图1 8 所示。直杆长度为L ，一端固定 石 0 处 ，一端自由 戈 L 处 ，初始时刻，杆端无荷载作 用处于静止状态，当受到爆炸荷载作用时，杆端荷载 形式可简化为均布荷载反￡o 图1 8 一维直杆力学模型 F i g ．1 8M e c h a n i c sm o d e lo fo n e d i m e n s i o n a ls t r a i g h tr o d 为了简化计算，可将直杆阻尼简化为数学上较 易处理的线粘性阻尼，则直杆内部质点运动的控制 方程为一维波动方程n 2 ] 粤一口2 鸳 fO ．u ．一，0 ≤石≤一0 ≤r 2 0 L , O 万一口虿 fa ￡2 ，冬石≤ ≤1o ’ 式中口 √詈可 乏觞；f 詈；n 为 纵波速度；E 为弹性模量；p 为密度；肛为泊松比；c 为等效阻尼参数。 直杆固定端位移始终为0 ，边界条件可描述为 “0 ，￡ 0 3 初始时刻，杆件处于静止平衡状态，初始条件可 以描述为 坐l0 4 a ￡l ￡o ／t 髫，0 0 5 直杆自由端受荷载P ≠ 作用，可用N e u m a n 条 件描述 万方数据 第3 6 卷第3 期明胜，姚颖康，孙金山，等钻孑L 爆破过程中炮孔远区爆炸荷载的实验研究7 E 业l 烈t 6 O tl 。L 该方程是一个含非齐次边界条件的定解问题， 可先将非齐次边界条件转换为齐次化边界条件，再 通过本征函数展开法来求解[ 1 3 , 1 4 ] ，其结果为 “州 e 一譬∑A 。s i n ∥万再F s i n 等仳 r 茎 e 掣即 8 1 n 1 r 仳 J o 荟【e 2 吃 s i ‘n 巫笙≠型s i ‘n 等盯石 t l i t 警 二■■一i F 盯石J 十i - 喘 7 式中 卜耐4 L 一华s i n 等诎 { B k2 蕊4 一s 一 掣 f 掣 ‘ 1 ．2 k 一1 ， l 舯1 n 万一似眦 8 另外，通过对方程 7 的解求戈一阶偏导，可得 到直杆不同位置处的动态应变 s 兰“石，t 9 S2 _ 叭石，，L ， 通过数值计算可得到直杆中的位移和应变的近 似解。 3 ．3 算例 采用上述荷载模型和力学模型对爆破实验测点 的应变响应过程进行了模拟。在炮孔远区，爆炸应 力波与爆生气体作用不足以引起介质的进一步破 坏，因此材料处于弹性状态[ 15 | 。故在多爆炸荷载作 用下直杆的动力响应等价于荷载单独作用效果的 叠加。 钢筋混凝土立柱的平均密度为2 6 0 0k g ／m 3 ，平 均弹性模量为3 0G P a ，泊松比为0 ．2 ，对爆炸荷载的 混凝土阻尼参数i 取1 5 0 0 。为了与模型试验相对 应，取直杆长度为0 ．8m ，并选取距固定端0 ．4m 处 的点进行分析，爆炸荷载的加载时间取为0 ．1m s ， 卸载时间取为0 ．5m s 。取荷载峰值为8 0M P a ， 如图1 9 所示，单孑L 爆破荷载作用下，介质的振 动过程包含三个阶段，即压缩阶段，拉伸阶段及阻尼 振动阶段。由于固定端应力波的反射作用，反射波 与入射波叠加，使得应变波形出现两个压缩应变峰 值。数值模拟结果与模型试验所得单个波形的形式 较为一致。但由于荷载模型中未考虑钢筋弯曲的拉 伸作用，模拟结果后期的应变曲线与实测结果存在 较显著的差异。同时，由于模型扩大基础等因素的 影响，应力波在模型中的传播与反射与理论模型存 在一定的偏差。 图1 9 单荷载作用应变时程曲线 F i g ．1 9S i n g l e l o a ds t r a i nt i m e h i s t o r yc u r v e 设两个炮孔依次起爆，爆炸荷载峰值分别为 2 0M P a 及1 5M P a ，加载及卸载时间均为0 ．2m s 及 0 ．5m s 。2 个炮孔爆炸荷载作用时间间隔分别取荷 载时间间隔为0 ．8m s 及1 0m s 。直杆长度设2 ．2m ， 观测点位于固定端0 ．8m 处，观测点动态应变曲线 如图2 0 所示。 2 0 0 】0 0 1 一1 0 0 - 2 r i o 一3 0 0 - 4 0 0 5 1 时间／m s “ A t 0 ．8 m s 图2 0 多荷载作用应变时程曲线 F i g ．2 0 M u l t i l o a ds t r a i nt i m eh i s t o r yc u r v e 模拟结果显示，在不同的间隔时间工况下，介质 的动态应变具有明显差异。当起爆时间间隔与荷载 1 1 1 52 0 时间l m s b △f 1 0l I l s 作用时间相近时，荷载的叠加效应最为明显，荷载的 作用时间内出现多个应变峰值。当荷载作用时间间 O O O 0 0 0 O O 0 O 0 0 0 0 0 0 0 3 2 1 ，2 3 4 5 一 一 一 一 一 吣11、能目 万方数据 8爆破2 0 1 9 年9 月 隔逐渐增大时，荷载的直接叠加效应逐渐减弱，荷载 的单独作用效果明显，与爆破实验中不连续起爆现 象吻合。工程爆破中，普通导爆管的延期误差较高， 电子雷管的误差也可达到延期时间的1 ‰，因此，钻 孑L 爆破爆炸荷载属于较为典型的多峰荷载。 4 结论 以高层建筑物钢筋混凝土立柱为原型，建立了 1 1 物理模型，对其钻孔爆破过程进行高速摄影及 应变监测和理论分析，得出以下结论 1 钢筋混凝土立柱的钻孔爆破过程中，由于 延期导爆管雷管起爆误差等因素的影响，不同炮孔 内炸药并非同时起爆，多炮孔的爆炸冲击及破坏过 程具有为显著的不一致、不同步性，同时立柱保留区 爆炸荷载具有显著得多峰性及相互叠加现象。 2 拆除爆破常用的短炮孔和小型药包的爆炸 荷载的作用时间约为1 0 ～～1m s 量级，加载阶段的 应变率一般大于卸载阶段的应变率，爆炸荷载作用 时间一般远大于雷管延期误差。 3 三角形形式的爆炸荷载函数可较准确的描 述炮孑L 远区介质的荷载特征。 4 对于采用延期雷管起爆的多炮孔爆破过 程，应考虑雷管延时误差特性，应采用多峰三角形荷 载函数对不连续作用的爆炸荷载进行模拟。 [ 1 ] [ 1 ] [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 黄理兴．岩石动力学研究成就与趋势[ J ] ．岩土力学， 2 0 11 ，3 2 1 0 2 8 8 9 - 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