爆破地质体损伤力学与断裂力学应用界限的探讨.pdf

第 “卷第期 “ “ 年月 爆破 “ - , . D G H 9 F 9 ,I ’ 9 , JJ 9 8I ’ 9 , JJ ’ J 9 D ’ I F A；F L J ；B D ；’ 9 L 9 收稿日期 “ “ . “ . - 1 作者简介 张天锡 （- N .） ， 男； 武汉 中国地质大学教授 - 前言 爆破地质体是一种存在历史久远、 组成及成分 复杂、 结构形式多样、 从微观、 细观到宏观的缺陷和 裂纹分布密度不同， 力学行为变化大集中诸因素于 一体的特殊固体。由于科学技术的发展， 要求工程 爆破达到精确化结果和可控制的精度水平。为此， 要求爆破地质体中的诸因素对工程爆破精确度和可 控度的综合影响和个别影响必须计算准确， 才能得 到应有的精度效果。如把不同尺度的裂纹与其密度 作为个别因素， 应用断裂力学求解时， 不会在各尺度 全过程中都能得到合理正确的解答。这是因为裂纹 从微观到宏观， 有的尺度条件并不能满足断裂力学 求解条件， 而且断裂力学有其应用的尺度界限。这 在同样条件下， 应用损伤力学求解可以得到合理而 正确的解答。因为损伤力学是研究固体从微观、 细 观到宏观破坏的全过程。因此， 在爆破地质体中工 程爆破应用断裂力学或损伤力学， 欲达到准确的解 答， 就必须分清其应用的尺度界限。 爆破地质体缺陷裂纹不同尺度形式 O - 微观形式 微观尺度是应用射电电子显微镜观测地质体的 微观形态， 可见到岩石中组成单位的矿物晶格位错 不同的形式及空穴的分布。 O 细观形式 细观尺度是用偏光显微镜观测地质体的细观形 态， 可观测到岩石中矿物组成形式、 其边界结构形式 及微细裂纹分布等， 其量化形式有纯量及向量两种 表示方法， 其中向量是用赤平投影表示的。 O 宏观形式 宏观尺度通常是用肉眼观测的， 有时应用一般 放大镜作辅助工具。观测爆破地质体各种赋存形 万方数据 态， 其结构形式， 毫米量级裂纹密度及其分布形式。 上述几种尺度是以下讨论的根据。 损伤力学与断裂力学应用界限 ［“， ］ “ 损伤力学与断裂力学的异同 “）它们都是研究固体破坏的过程， 其原意是为 提高其使用寿命， 这是它们的宗旨。但是， 在爆破地 质体工程爆破中， 则应利用已存在的缺陷、 裂纹使之 更加易于破坏， 同时尽可能的降低能耗为其共同的 目的。 ）损伤力学认为材料总是存在缺陷的。断裂 力学认为材料总是存在裂纹的， 对爆破地质体而言， 这种存在是两者兼而有之。 ）对于破坏概念的内涵有所不同， 损伤力学认 为出现“ 以内的裂纹就计破坏。而断裂力学认 为固体断裂开才算破坏。在爆破地质体中， 上述两 种情况在同一尺度范围内， 可以同时存在。并在宏 观尺度条件下， 可以评价其破碎的难易程度。 ）损伤力学求解是以物体中缺陷连续分布为 条件的。而断裂力学是在物体中某一处单一裂纹条 件下求解的。但是， 在地质体中一定尺度条件下， 具 有一定密度 （条 ／） 裂纹分布求解时， 发展了统计断 裂力学。 损伤力学与断裂力学应用界限划分基础 在爆破地质体中损伤力学与断裂力学应用界限 上述已有提及。这里对它们的求解范围及处理方法 作进一步论述。 ’ ’ “ 爆破地质体损伤力学求解范围 爆破地质体在大多数情况下为连续介质体。因 此， 损伤力学分析同样适用于爆破地质体。如上所 述， 不同尺度缺陷或裂纹的一定密度分布或随机分 布， 且受载后其缺陷或裂纹的扩展， 从开始到细观再 到宏观扩展破坏的全过程， 所有这些过程都可以用 损伤力学求解处理。而且这种处理方法有两种。即 微细观法和宏观法。 “）微细观处理方法简述。它是根据岩体微细 观组成， 如基体岩粒、 矿物及空隙等独立的力学行为 及其互相作用， 建立宏观形式， 并建立其损伤的本构 关系， 进一步给出了变量和损伤的完整系统。这一 过程的模型为损伤变量和损伤演化给出了较为真实 的几何形象及其物理过程。此种分析处理就深化了 对损伤过程本质的认识。但是， 这是所谓 “自适应” 方法， 其主要困难是要经过许多简化和假设， 才能使 非均质体微细观状态过渡到均质宏观状态， 而且此 过程的机制较为复杂， 并且其组成的成分具有不确 定性， 因此， 本方法的完备性与适用性有待进一步研 究。 ）宏观处理方法简述。按损伤力学要求， 通过 引入表征岩体内部微细观缺陷或裂纹的内变量， 建 立相应的模型， 在不可逆热力学及连续介质力学平 衡基础上， 导出其损伤的本构关系。用损伤广义力 表征微细观缺陷或裂纹的作用和影响， 从而建立宏 观演化损伤方程。并可以用来对爆破地质体进行损 伤描述和分析求解。 ’ ’ 断裂力学求解的范围和方法 前一节已简要说明爆破地质体为集多因素于一 体的特殊固体， 其中裂纹分布及其交割的形式的密 度也千差万别。这些宏观现象都是断裂力学研究的 内容， 仅以某处单一裂纹为对象， 如果涉及数条区域 性裂纹， 则以主控制裂纹为研究对象。总之， 应用宏 观断裂力学求解， 在这种条件下是非常有效的。 图“岩体完整性随尺度大小的变化 其次， 在爆破地质体中， 若裂纹是随机分布或其 交割密度较大时， 宏观断裂力学已无法求解。此时 只有应用统计断裂力学或损伤力学才可以得到解 答。同时， 在微细观尺度条件下， 断裂力学也无法求 解。只有应用损伤力学求解了。 ’ 爆破地质体损伤力学与断裂力学应用尺度 界限的划分 图断裂力学与损伤力学应用裂纹长度界限 “）爆破地质体应用尺度大小的界限 （下转第 页） 第 卷第期张天锡爆破地质体损伤力学与断裂力学应用界限的探讨 万方数据 囱爆破， 偏 “ 伤人； 云南宣威 “西南第一爆” 爆出 人命； 长沙定向爆破栋楼房只倒栋； 青海西宁 栋楼房连爆次未倒； 石家庄定向爆破楼房倒向反 向； 北京一旧厂房实施爆破只炸塌一半厂房； 漯河定 向爆破水塔出偏差， 砸塌数间民房等等。所有这些 说明， 爆破理论及其管理仍需强化、 提高。 笔者认为， 今后拆除爆破应从以下几方面重点 着手发展 加强在建、 构筑物坍塌范围及破碎度的控 制研究； 深入研究基于建、 构筑物结构特征的拆除原 理； 发明更多爆破新工艺、 新方法； 加快建、 构筑物倒 塌冲击地压及地震波对周围环境影响的控制研究； 倡仪政府健全法律、 法规， 加强对爆破公司资质的审 查， 使得爆破工程全面迅速、 健康的发展； 增强城市 综合减灾的大安全观念， 控制拆除爆破有害效应； 提 高技术， 加强科学管理， 成立爆破专家系统， 降低爆 破过程中的意外事故。 参考文献 ［］ 贾金河， 于亚伦’国外拆除爆破的现状 ［］ 爆破， * * （） , - . ［］ 何军等城市建 （构） 筑物控制拆除的国内外现状 ［］ 工程爆破， * * * （） - “ ［］ 王中黔我国工程爆破的成就与技术创新发展战略 ［/］ 中国工程爆破协会通讯 ［0］’ “ “ “ （,） , - . ［,］ 中国爆破协会’国外工程爆破拆除概况 ［1］ “ “ “ ［2］ 史秀志筒形建筑物拆除爆破折叠方案的研究 ［］’中 南工业大学学报， “ “ （） . - ［.］ 庙延钢新型导爆管3型联连卡在工程爆破中的应用 ［］ 爆破器材， “ “ （） - 2 ［］ 宋常燕 “4钢筋混凝土烟囱定向倒塌触地效应的 观测分析 ［/］ 工程爆破文集 （.） ［0］’ * * . , - . * ［］ 王文辉等武钢百米烟囱拆除爆破振动测试 ［］ 爆 破， * * （.） - , ［*］ 贾金河， 于亚伦建筑物拆除爆破数值模拟方法的研 究， 工程爆破， * * （） , “ - , ［ “］ 陈华腾高耸建筑物定向拆除爆破研究 ［］ 爆破， * * （2） , * - 2 ［ ］ 邵必林拆除爆破飞石产生原因及防护措施 ［］ 西 安矿业学院学报， * * （） 2 - ［ ］ 邵必林城市拆除爆破飞石安全防护计算机动画模 拟方法 ［］ 中国钼业， * * （.） * - （上接第2页） 在地质中进行工程爆破时， 其确定的最小抵抗 线大小为其应用界屈服的直接尺度。这具体在浅孔 小直径， 深孔大直径和硐室爆破各有不同。亦即其 单元裂纹密度及分布形式亦有差别。如同一处岩体 宏观尺度大小不同， 其裂纹密度也不相同， 如图所 示。随尺度大小的变化， 岩体由完整体经一组、 二组 和数组裂纹切割， 过渡到全断裂岩体。因此， 应用断 裂力学的条件也随之发生变化。所以尺度效应为一 决定性的条件。不然会得到错误的结果。 ）爆破地质体损伤力学与断裂力学裂纹长度 应用界限 在地质体中根据试验测量， 当裂纹长度为“ ’ 2 4 4时， 开裂不稳定， 其长度在 ’ 2 5 , ’ 24 4时， 其 开裂过程较为稳定。前者称为应用断裂力学的起始 长度， 后者称为有效长度。如在此条件下， 裂纹密度 大， 且随机分布时， 则应用损伤力学。上述应用尺寸 范围界限示于图中。 , 结论 ）在地质体中进行工程爆破时， 首先要了解开 挖区域的岩体从微观、 细观到宏观不同尺度的缺陷、 裂纹密度、 分布形式及其大小。 ）爆破地质体中， 爆破的单元尺度， 是按爆破 最小抵抗线单元大小确定的。 ）爆破地质体中， 应用断裂力学时， 不但要求 裂纹单一， 而且其裂纹长度要大于“ ’ 24 4， 此为其 起始长度， 而裂纹长度在 ’ 2, ’ 26 4时， 为开裂 的有效长度。 以上为粗浅的讨论结果， 不妥处望批评指正。 参考文献 ［］ 杨光松损伤力学与复合材料损伤 ［7］ 北京 国防工 业出版社， * * 2 ［］［英］ 劳恩 81， 威尔肖 31’脆性固体断裂力学 ［7］ 陈禺， 尹祥础译北京 地震出版社， * 2 ［］ 王延武’对现有爆破作用指数的函数分析 ［］’爆破， * * （） - , ’ ［,］ 杨玉银’隧洞开挖光面爆破新技术 ［］’爆破， “ “ “ （,） * - ’ 第 “卷第期徐书雷等浅述国内外拆除爆破现状 万方数据