混凝土边坡爆破试验动态应变测试及分析.pdf

第3 1 卷第2 期 2 0 1 4 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 lN o ．2 J u n ．2 0 1 4 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 4 ．0 2 ．0 0 7 混凝土边坡爆破试验动态应变测试及分析术 黄小a , b5 钟冬望a , b ，殷秀红“6 ，何理“6 ，司剑峰““ 武汉科技大学a ．理学院；b ．爆破技术研究中心，武汉4 3 0 0 6 5 摘要 通过室内混凝土边坡模型试验，利用动态应变测试技术，对爆炸载荷作用下岩质边坡的动力特性 进行分析研究。研究表明在边坡底部设置预裂缝，可以将边坡受爆炸荷载作用下的切向应力平均降低 2 9 ．8 ％，径向应力平均降低4 5 ．9 ％。分析不同延期时间下坡面测点的应变波形图，发现延期时间的长短会 影响到相邻炮孔起爆时是否会发生应变叠加，混凝土边坡延时爆破开挖过程中，延期时间大于1 5m s ，对应 变峰值的影响较小。 关键词边坡工程；模型试验；动态应变；延期时间 中图分类号0 3 8 2 ．2 ；T D 2 3 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 4 0 2 0 0 3 2 0 5 D y n a m i cS t r a i nT e s ta n dA n a l y s i so fC o n c r e t eS l o p eB l a s t i n gT e s t H U A N GX i a o W l t 8 ’6 ，Z H O N GD o n g ．w a n 9 8 ，6 ，Y I NX i u h o n 9 8 6 ，H EL i 8 “，S IJ i a n - f e n 9 8 6 a ．C o l l e g eo fS c i e n c e ；b ．B l a s t i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e r ， W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 6 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a lm e t h o do fc o n c r e t es l o p em o d e la n dd y n a m i cs t r a i nt e s t i n gt e c h n o l o g y w e r eu s e dt os t u d yd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fr o c ks l o p eu n d e rb l a s tl o a d i n g ．T h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ep r e - c r a c k i n g t e c h n o l o g ya t t h eb o t t o mo fs l o p er e d u c e dt h ev a l u eo fp e a ks t r e s s g r e a t l y ；t h ep e a ko ft a n g e n t i a ls t r e s sw a sr e d u c e d b y2 9 ．8 ％a n dt h ep e a ko fr a d i a ls t r e s sb y4 5 ．9 ％i na v e r a g e ．C o m p a r i n gt h es t r a i nw a v e so fm e a s u r i n gp o i n t sw i t h d i f f e r e n td e l a yt i m e ，t h el e n 殍ho fd e l a yt i m ew a sf o u n dt oa f f e c tt h es t r a i nw a v e so ft w oa d j a c e n tm e a s u r i n gp o i n t s ．I n t h ee x c a v a t i n gn e a rc o n c r e t es l o p e ，t h em a ] 【i m u ms t r a i no nt h es l o p ew a ss m a l lw h e nt h ed e l a yt i m ee x c e e d e d15m s ． K e yw o r d s s l o p ee n g i n e e r i n g ；m o d e lt e s t ；d y n a m i cs t r a i n ；d e l a yt i m e 岩石高边坡爆破开挖过程中的稳定性问题，是 许多矿山和水利工程都面临的重大技术难题。爆破 以及地震荷载作用下诱发的边坡崩塌是常见的工程 灾害，它直接影响着工程开挖进度及边坡工程的质 量，研究动荷载作用下边坡的响应具有重要意义。 一般认为，岩石开挖爆破对边坡的影响主要表 现在两个方面j 一是爆破振动载荷反复作用导致 收稿日期2 0 1 4 一叭一2 2 作者简介黄小武 1 9 8 9 一 ，男，硕士研究生，从事工程力学相关的 科研工作， E m a i l h o h o s h a r k 1 2 6 ．c o m 。 通讯作者钟冬望 1 9 6 3 一 ，男，博士、教授，从事矿山工程力学、爆 炸理论及其应用等方面的教学与研究工作， E ．m a i l z h o n g d w l 2 3 2 6 3 ．n e t 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 7 7 4 0 5 6 ；国家自然科学基金 项目 5 1 1 7 4 1 4 7 岩体结构面抗剪强度降低；二是爆破振动惯性力作 用使坡体整体下滑力增大，结果导致边坡动力失稳。 目前，爆破荷载作用下岩质边坡的响应特征研究主 要通过现场爆破测试和有限元数值模拟两个方面进 行研究。杨永奇、方文儒通过试验嵋』，研究了动态 应变随不耦合系数和比例距离变化的规律。廖先葵 等通过大尺寸混凝土模型爆破试验与动态应变测 试，得出在不同的介质和不耦合系数时主炮孑L 峰应 变表达式和爆破动态应力的半经验计算方法∞j 。 钟冬望、吴亮、何理等采用室内混凝土边坡试验方 法，结合动力有限元程序模拟技术手段，对爆炸冲击 荷载下岩质边坡的动力特性进行了分析H 引。蒲传 金等等通过动态应变测试分析了护壁爆破的作用机 万方数据 第3 l 卷第2 期黄小武，钟冬望，殷秀红，等混凝土边坡爆破试验动态应变测试及分析 3 3 理，解决了光面爆破和定向断裂控制爆破存在的对 围岩较严重损伤破坏的问题M 1 。高祥涛采用超动 态应变测试系统，实测了小药量条形药包在岩石模 型中爆炸产生的应变波，进一步正确认识爆破破岩 机理“ 。。然而，利用动态应变测试技术，研究岩质 边坡的动力特性的文章却不多见。 采用室内混凝土边坡模型试验方法，利用动态 应变测试技术，分析了预裂缝对爆炸载荷作用下岩 a l 允预裂缝边坡 S h D ew i t h o u tc r a c k 质边坡的应力应变的影响，以及不同的延期时间下 岩质边坡应变峰值的变化。 1 岩质边坡爆破动态应变测试试验 1 ．1 边坡模型 本次试验，包含无预裂缝边坡模型与有预裂缝 边坡模型各一个，两个边坡模型的尺寸相同。边坡 模型的三维立体图及炮孔布置图如图1 所示。 有预裂缝边坡 S l o p ew i t h 1 r a c k 图1 混凝土边坡模型示意图 单位c m F i g ．1 C o n c r e t es l o p em o d e l s u n i t c m 混凝土边坡模型由4 2 5 硅酸盐水泥和筛选后 的细砂浇注而成，水、水泥、细砂之间的配比比例为 l 2 4 ，预裂缝的尺寸为宽2c m ，深1 0c m ，模型浇注 完成后养护2 8d 。同时，还用相同材料浇注三个 1 5 0m m 1 5 0m m 1 5 0m m 的标准试块以测量该材 料的物理力学参数。经测试，混凝土边坡模型的力 学参数如表l 所示。 表1素混凝土边坡模型力学参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fc o n c r e t es l o p em o d e l 密度p ／屈服应力／静弹性模切线模量／泊松比强化 k g m 。 M P a 量E ／G P a G P a p系数卢 2 2 2 03 2 ．01 9 ．00 ．8 80 ．2 90 ．5 1 ．2 动态应变测试基本原理及方案 本试验采用武汉优泰电子技术有限公司生产的 u r l 7 1 1 0 动静态应变仪以及配套的T e k A c q u 软件。 爆破采用多孔延时起爆，炮孔间距1 5c m ，排距 1 0c m ，炮孔半径为5m i n ，深度为1 5 0m m 。采用“隆 芯1 号”电子雷管对边坡底部实施爆破，延时精度 可达1m s 。为减小边坡模型两侧自由面对爆破效 果的影响，实验前在混凝土边坡两侧用3m m 厚胶 皮和1 0m m 厚钢板夹紧，并用铁丝捆扎牢固。 测点布置如下在混凝土边坡坡顶及坡面分别 布置2 个测点 I 、Ⅱ和Ⅲ、Ⅵ ，每个测点分别布置 了水平、垂直方向电阻应变片，其电阻为1 2 0Q ，灵 敏度系数为k 。 2 ．1 4 。实验采用半桥接法，对每个 通道单独设置温度补偿片，导线电阻为0 ．3Q ，设置 采样频率为1 2 8k H z 。两个边坡模型测点布置相 同，如图2 所示。 2 动态应变测试结果及分析 由文献[ 2 ] 可得，当炮孔半径为r 0 ，距炮孔中心 r 距离处产生的切向应变为 S T K re a 考0 1 、77 Ll ， r 0 径向应变s ，为 s ，K _ _ z re 一≯ 圭0 2 S ， 4、‘7 L 二， r 0 式中坼、K ，取决于炸药装药结构和岩体性质的常 数；a 为切向应变吸收系数；沙为径向应变吸收系 数。由于装药爆炸过程和混凝土动态性质的复杂 性，很难精确计算出各种爆破条件下K ，、K r 、o l 和沙 值，只能通过试验来确定。 由广义胡克定律可知，动态应力与动态应变有 万方数据 3 4爆破2 0 1 4 年6 月 如下关系 o r 动 E 动s 动 3 式中盯动为动态应力；E 动为动态弹性模量，与材料 性质有关，一般取静态弹性模量的1 ．3 倍；占动为动 态应变。 由式 3 可知，物体所受动态应力大小与其动 态应变值呈线性关系，应变峰值即可反映出所受应 力的极限状态。 水甲13 而2 m 鼠1 1 4 m 垂直／U ⋯ ⋯ 46 7 8 匙基 叽。 一 _ _ _ l n C 心 图2 模型表面电阻应变片布置图 单位c m F i g ．2 S t r a i ng a u g e so nt h es u r f a e eo fs l o p em o d e l u n i t c m 2 ．1 预裂缝对应变峰值的影响同爆破方案下各测点的应变峰值，如表2 所示。 测试数据经消除零漂和标定等处理后，得到不 表2 各测点的应变峰值 单位陋 T a b l e2P e a ks t r a i no fe a c hm e a s u r i n gp o i n t u n i t 畔 注表中“一”表示测点未测到信号。 其中，水平放置的应变片可以测得测点的切向 应变，垂直放置的应变片可以测得测点的径向应变。 1 由表2 ，比较同一爆破方案中，在有j 无预裂 缝两种情况下各测点的应力峰值。可以发现，有预 裂缝边坡上各测点的应变峰值比无预裂缝边坡上的 小，个别出现增大的情况，应该是受到周围电磁场的 干扰所致。通过计算预裂缝影响下各测点水平、垂 直方向上动态应变峰值的相对减小率，再取各自的 平均值；得到，在预裂缝的影响下，切向应变峰值平 均降低2 9 ．8 ％，径向应变峰值平均降低4 5 ．9 ％，亦 即应力峰值的相对减小率。可见，通过开挖预裂缝， 可以大大降低边坡在爆炸荷载作用下的应力峰值， 万方数据 第3 l 卷第2 期 黄小武，钟冬望，殷秀红，等混凝土边坡爆破试验动态应变测试及分析 3 5 有效改善边坡的应力状态，对保持边坡稳定有较大 意义。 2 此外，运用广义胡克定律，可计算出各测点 的应力峰值。例如，根据无预裂缝边坡上的1 号应 变片的应变峰值可以计算出应力峰值 盯动 E 动‘占动 1 ．3 E 。占动 1 ．3 1 9 1 0 9 5 3 ．9 1 0 6P a 1 ．3 3M P a 同理，可计算出其他各测点的应力峰值。通过 比较可得，无预裂缝的边坡表面切向应力最大值为 a 切向应变波形图 a T a n g e n t i a ls t r a i nw a v e s 1 ．4 7M P a ，径向应力最大值为2 ．9 3M P a ；有预裂缝 的边坡表面切向应力最大值为1 ．2 4M P a ，径向应力 最大值为1 ．0 9M P a 。 2 ．2 延期时间对应变的影响 为了研究延期时间对爆破荷载作用下边坡表明 应变的影响，导出不同延期时间起爆下无预裂缝边 坡坡面上Ⅳ号测点的应变波形图，并标定前两次应 变波的波峰位置 图中1 、2 两点 ，典型应变波形如 图3 所示。 b 径向应变波形图 b R a d i a ls t r a i nw a v e s 图33 - 4 5 炮孑L 延期5m s 起爆Ⅳ号测点的应变波形图 F i g ．3 S t r a i nw a v e so fN o ．I Vm e a s u r i n gp o i n ta f t e rN o ．3 ，4 ，5h o l e sb l a s t i n gw i t h5m sd e l a y 记录不同延期时间起爆，Ⅳ号测点水平、垂直放 置的应变片记录的前两次波峰所在的时刻t ，和t ， 如表3 所示。 表3Ⅳ号测点在不同延期时间爆破下前两次波峰的时刻 T a b l e3T h et i m eo ff i r s tt w op e a k so nN o ．I V m e a s u r i n gp o i n tw i t hd i f f e r e n td e l a yt i m e s 同样的方法，也可得到无预裂缝边坡坡顶Ⅱ号 测点水平、垂直放置的应变片记录的前两次波峰所 在的时刻t ．和t ，如表4 所示。 为分析延期时间对相邻应变波应变峰值的影响， 根据绝对误差的相关知识旧。，引入参考量少，其中 西 I t ，一t ， 一t 。J 3 式中￡。为延期时间，t 。和t 分别为前两次波峰所对 应的时刻。 表4I I 号测点在不同延期时间爆破下前两次波峰的时刻 T a b l e4T h et i m eo ff i r s tt w op e a k so nN o ．1 I m e a s u r i n gp o i n t 、订t hd i f f e r e n td e l a yt i m e s 函产生的原因，主要是由于前一个炮孔起爆产生 的应变与后一个炮孔起爆产生的应变发生了叠加，提 前或延迟了后一个波峰到来的时刻。中值越小，延期 时间对应变峰值的影响就越小。分别计算出不同延 期时间下切向和径向前两次应变波峰值的中，并绘制 出中与延期时间t 。的折线图，如图4 所示。 图4 中，Ⅱ号测点的切向应变多值在5 ～2 5m s 区间内呈下降趋势；径向应变币值在1 0m s 处出现 最大值，在1 5 ～2 5m s 区间内呈缓和趋势。Ⅳ号测 点的切向应变中值在1 0m s 和2 0m s 处出现极大 值，在1 5m s 处出现极小值可；径向应变中值在5 ～ 1 5m s 区间内呈下降趋势，然后在2 0m S 处出现极大 万方数据 3 6 爆破2 0 1 4 年6 月 值。综合考虑，延期时间大于1 5m s 时，两个测点前 两次应变波的中值趋于零值，有效避免两次应变波 峰叠加。 3结论 0 0 0 。0 { 0 l e l O O O 延期时间t ／m s a Ⅱ号测点前两次波峰庐与延期时间f 。折线图 a T h ef i r s tt w op e a k s 咖w i t hd e l a yt i m et o o nm e a s u r i n g p o i n t sI I 综合考虑，在混凝土边坡延时爆破开挖过程中， 为避免相邻炮孑L 起爆时产生的应变叠加，建议选择 延期时问大于1 5m s 。 昌 ．e l 延期时间t ／m s b 1 V 号测点前两次波峰驴与延期时间“折线图 b T h ef i r s tt w op e a k s 审w i t hd e l a yt i m et o o nm e a s u r i n gp o i n t s1 V 图4Ⅱ和Ⅳ号测点前两次波峰西与延期时间t 。折线图 F i g ．4 T h ef i r s tt w op e a k s 中w i t hd e l a yt i m et oo nm e a s u r i n gp o i n t s Ⅱa n dI V 1 在边坡底部设置预裂缝，可以将边坡受爆 炸荷载作用下的切向应变峰值降低2 9 ．8 ％，径向应 变峰值降低4 5 ．9 ％。 2 无预裂缝的边坡坡顶应力最大值为 1 ．8 5M P a ，坡面应力最大值为2 ．9 3M P a ；有预裂缝的 边坡坡顶应力最大值为1 ．8 2 M P a ，坡面应力最大值为 1 ．3 7M P a 。开挖预裂缝可以有效改善爆破荷载作用 下边坡的应力状态，对保持边坡稳定有较大意义。 3 延期时间的长短会影响到相邻应变波应变 峰值是否会发生应变叠加，分析不同延期时间下切 向和径向前两次应变波峰中值，发现延期时间大于 1 5m s ，对应变峰值的影响较小。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 李海波，蒋会军，赵坚，等．动荷载作用下岩体工程 安全的几个问题[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 3 ， 2 2 1 1 1 8 8 7 1 8 9 0 ． L IH a i b o ，J I A N GH u i - j u n ，Z H A OJ i a n ，e ta 1 ．S o m ep r o b ． 1 e m sa b o u ts a f e t ya n a l y s i so fr o c ke n g i n e e r i n gu n d e rd y n a m i cl o a d [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n d E n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，2 2 11 1 8 8 7 1 8 9 0 ． i nC h i n e s e 杨永琦，方文儒．爆炸应力波与裂缝形成的模型试验 研究[ J ] ．中国矿业学院学报，1 9 8 4 1 8 2 - 8 8 ． Y A N GY o n g q i ，F A N GW e n r u ．R e s e a r c ho nb l a s t i n gs t r a i n w a v ea n dr o c kc r a c kf o r m a t i o nw i t h m o d e l i n gt e c h n i q u e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o ． g Y ，1 9 8 4 1 8 2 8 8 ． i nC h i n e s e 廖先葵，粟霞云，芦开荣，等．大尺寸混凝土模型爆破 [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] 试验与动态应变观测[ J ] ．矿业研究与开发，1 9 9 7 ， 1 7 S 1 1 3 ． L I A OX i a n k u i ，S UX i a y u n ，L UK a i r o n g ，e ta 1 ．E x p l o s i o n t e s ta n dd y n a m i cs t r a i no b s e r v a t i o no fl a r g es i z ec o n c r e t e m o d e l s [ J ] ．M i n i n gR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t1 9 9 7 。 1 7 S 1 1 3 ． i nC h i n e s e 钟冬望，吴亮，陈浩．爆炸荷载下岩质边坡动力特 性试验及数值分析研究[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 1 0 ，2 9 S 1 2 9 6 4 - 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