节理介质断裂控制爆破裂纹扩展的动焦散试验研究
第27卷 第2期
岩石力学与工程学报 V ol.27 No.2
2008年2月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2008
收稿日期：2007–06–17；修回日期：2007–09–21
基金项目：国家重点基础研究发展规划“863”计划项目(2007AA062131)；国家自然科学基金资助项目(50774086)；北京市教育委员会科技发展计划面上项目(KM200700003003)
作者简介：杨仁树(1963–)，男，博士，1986年毕业于安徽理工大学矿山建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。E-mail ：zwyue75@https://www.wendangku.net/doc/1a6071041.html,
节理介质断裂控制爆破裂纹扩展的动焦散
试验研究
杨仁树，岳中文，肖同社，董聚才，杨立云
(中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083)
摘要：为研究闭合和张开节理对切缝药包断裂控制爆破裂纹扩展规律的影响和裂纹扩展机制，采用有机玻璃模型，用切缝药包形成初始裂纹，进行爆炸加载下透射式动焦散试验。试验结果表明：2种节理对裂纹扩展影响都很大，初始裂纹都没穿过节理，但在节理两端产生翼裂纹，翼裂纹基本沿原爆生裂纹方向继续扩展；在张开型节理试验中，切缝药包爆炸后25 μs 时节理两端出现焦散斑，2条翼裂纹最长只有2.5 cm ；闭合型节理则在1 μs 时产生焦散斑，比张开型产生的时间早了24 μs ，翼裂纹最长达5.6 cm 。2种试验中翼裂纹尖端复合动态应力强度因子呈由
小变大再变小振荡变化的趋势，初始阶段动态应力强度因子d
II
K 低于d I K ，闭合型应力强度因子峰值为 1.72 MN/m 3/2，大于张开型峰值1.28 MN/m 3/2。研究结果可为节理岩体定向断裂控制爆破提供理论依据。 关键词：岩石力学；节理介质；断裂控制爆破；裂纹扩展；动态焦散线；应力强度因子
中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)02–244–07
DYNAMIC CAUSTICS EXPERIMENT ON CRACK PROPAGATION OF
JOINTED MEDIUM FRACTURE WITH CONTROLLED BLASTING
YANG Renshu ，YUE Zhongwen ，XIAO Tongshe ，DONG Jucai ，YANG Liyun
(School of Mechanics and Civil Engineering ，China University of Mining and Technology ，Beijing 100083，China )
Abstract ：The crack propagation mechanism and influence of closed and open jointed medium were studied on crack propagation law of cutting seam cartridge fracture with controlled blasting. Dynamic caustics experiment of blasting loading was carried out in PMMA material by forming initial cracks through cutting seam cartridge directional fracture. The experimental results show that those two kinds of jointed medium have great influence on crack propagation ；and the initial cracks do not traverse joints ；and wing-cracks are generated at both ends of joints and basically go on extending along original explosion crack. In open joint experiment ，a caustics speckle appears in two wing-cracks about 25 μs after cutting seam cartridge blasting ；and the largest width of wing-crack is 2.5 cm. While in closed joint experiment ，a caustic appears 1 μs after cutting seam cartridge blasting ，which is 24 μs ahead of open joint and the largest width of wing-crack is 5.6 cm. The dynamic stress intensity factor(SIF) of wing-crack changes from small to large firstly ，and then falls from large to small. During the initial stage ，dynamic stress
intensity factor d
II
K is smaller than that of d I K . The peak value of closed joint is larger than that of open joint ；the former is 1.72 MN/m 3/2，and the latter is 1.28 MN/m 3/2. The research results can provide theoretical basis for directional fracture with controlled blasting of jointed rock mass.
第27卷第2期杨仁树，等. 节理介质断裂控制爆破裂纹扩展的动焦散试验研究 ? 245 ?
Key words：rock mechanics；jointed medium；fracture controlled blasting；crack propagation；dynamic caustics；stress intensity factor
1 引言
在井巷爆破掘进过程中，质量控制的关键在于周边，因此周边眼爆破引起了人们的极大关注，研究成果最为显著的是切缝药包定向断裂控制爆破的应用。目前，对定向断裂控制爆破的研究多集中在药包参数和切缝管参数等方面对定向裂纹扩展的影响[1，2]。然而实际岩体具有复杂的地质结构和赋存条件，是一种典型的“不连续介质”，大量节理的存在直接影响定向断裂控制爆破中初始裂纹扩展规律的变化，因此研究节理岩体中定向断裂控制爆破裂纹扩展规律具有重要的现实意义。
焦散线方法是目前测量动态应力强度因子和材料动态断裂韧性的有效方法。焦散线方法于1964年由P. Manogg[3]首先提出的。从1976年开始，J. Beinert和J. F. Kalthoff[4]将焦散线方法用于测定动态应力强度因子。国内，杨仁树[5]首次建立爆炸载荷动态焦散线测试系统，研究了切槽孔和切缝药包爆破时裂纹扩展的一般规律，定量分析了裂纹定向扩展过程中裂纹尖端应力强度因子的变化。此后，姚学锋等[6]将高速摄影技术与动态焦散线方法相结合，研究了爆炸应力波对裂纹、空孔的动态焦散斑图，给出了爆炸应力场中裂纹尖端复合应力强度因子的时间依赖关系以及空孔周围应力场分布的瞬态变化过程。杨仁树等[7]又利用爆炸载荷动态焦散线测试系统研究了层理介质爆生裂纹扩展机制，得到爆炸应力波在岩体中产生的裂纹扩展至层理时会发生偏移，层理使扩展裂纹的应力强度因子的数值产生较大波动，并使应力强度因子的峰值减小等结论。李清和杨仁树[8]对含人工节理的材料中爆生裂纹扩展的细观行为进行了研究，获得了爆生裂纹扩展穿过节理的一般规律。肖同社等[9]着重研究了爆炸初始裂纹与节理面不同夹角的情况下，裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。然而，对于定向断裂控制爆破中，张开和闭合节理岩体裂纹扩展的规律尚缺少深入研究。
本文则利用动焦散测试系统，研究闭合节理和张开节理对定向初始裂纹扩展规律的影响和裂纹尖端应力强度因子的变化，为实际定向断裂控制爆破提供理论依据。 2 爆破加载动焦散试验
2.1测试原理
焦散线方法是利用几何光学的映射关系，将物体中应力集中区域的复杂变形状态，转换成简单而清晰的阴影光学图形，如图1，2所示[10]。
图1 焦散线成像示意图[10]
Fig.1 Schematic diagram of caustics formation[10]
图2 焦散曲线[10]
Fig.2 Curve of caustics[10]
爆炸应力场中的爆炸压力脉冲主要以膨胀波与剪切波2种体波形式进行传播，在介质中的传播速度分别为
)
1(2
Pν
ρ?
=
E
C(1)
ρ
ν)
1(2
S+
=
E
C(2) 式中：E为材料的弹性模量，ν为材料的泊松比，ρ为材料密度。
由于2种波的共同作用，在介质中任意一点产生正应力和切应力，即爆炸应力场呈现复合型，因而介质中的裂纹可视为复合型裂纹。对于动态焦散线测试方法，由其测试原理可将裂纹尖端的复合应力强度因子[11]表示为
? 246 ? 岩石力学与工程学报 2008年
2
/5max
2
/3m
eff 02/5d I
3π22D cd z g K λ= (3) d I d II K K μ= (4)
式中：max D 为复合型裂纹尖端焦散斑最大直径(如图2所示)；0z 为参考平面到物体平面的距离；c 为材料的应力光学常数；eff d 为试件的有效厚度，对于透明材料透射时，板的有效厚度即为板的实际厚度，对于非透明材料，板的有效厚度即为板厚度的
1/2；m λ为光学系统的放大倍数；μ为应力强度因子比例系数，可根据有关研究成果[11]
，由μ与?max (D
max min /)D D 之间的曲线关系求得；g 为应力强度因
子数值系数，可由肖同社
[12]
研究结果确定；d I
K ，
d
II
K 分别为动态载荷作用下，复合型扩展裂纹尖端的I 和II 型应力强度因子。
对于给定的试验条件，eff d ，c 和0z 均为常数，只要从动态焦散图中测定max D ，min D ，就可以确定裂纹尖端的复合应力强度因子。 2.2 试验系统
爆破加载动焦散试验系统主要包括：
(1) 爆破加载与防护。 (2) 起爆方法及起爆装置。
(3) DDGS –II 多火花式高速摄影光路系统。 (4) 延迟与控制器装置。 (5) 光–电转换系统。
火花放电与焦散照片拍摄的时间通过电子控制系统来管理，根据试验需要的时间间隔提前设置，其幅间隔在0～999 μs 内可调。采用这种光–电系统可拍摄到清晰的动焦散照片。图3为透射式焦散线试验系统光路。
图3 透射式焦散线试验系统光路示意图 Fig.3 Schematic diagram of transmission caustics
experimental system
2.3 试验描述
试验中使用的试件材料为有机玻璃，它有较高的焦散光学常数c ，并且光学具有各向同性，所以能产生单焦散曲线，有利于对焦散图像的分析，提高分析结果的精度。有机玻璃试件的动态力学参数见表1[12]。按要求做好试件，炮孔中装药并插上
表1 有机玻璃试件的动态力学参数[12] Table1 Dynamic parameters of PMMA specimens [12]
C P /(m ·s －1
)C S /(m ·s －1
)E d /(N ·m －2
) νd |C t |/(m 2·N －1
)2 320
1 260
6.10×10
9
0.31
0.80×10
－10
起爆和同步信号探针，将试件固定在加载架上，炮孔两侧用铁夹夹紧，胶片装入相机暗盒内，并将暗盒在机架上固定好。设置延迟和控制器幅间隔，延迟时间为100 μs ，由于炸药爆炸时能量释放是在极短时间内完成，所以幅间间隔时间较小，一般为1～
30 μs 。用来实现爆炸加载的炸药为叠氮化铅，炮孔直径为8 mm ，药量为120 mg ，药包外壳为切缝管，切缝垂直对准预制节理，节理长6.5 cm ，炮孔壁距节理2.5 cm 。
由于炸药爆炸时会产生炮烟，影响相机对焦散斑的有效记录，因此用导烟管减轻炮烟对拍摄效果的影响。另外，为了防止场镜有可能受到爆炸后模型碎片的损坏，在模型两侧分别放置一块无应力透明氟化玻璃[13]。
3 试验结果与分析
3.1 张开节理对裂纹扩展规律的影响
由图4(a)很直观地看到切缝药包爆炸后垂直节理面产生一条主裂纹，快接近节理面的地方分叉成
4条裂纹，裂纹并没有穿透节理，而是在节理两端产生了2条翼裂纹，最长达2.5 cm 。2条翼裂纹弯曲扩展和主裂纹基本同方向，只是稍微向两边偏移，
2条翼裂纹的扩展基本是对称的。
(a) 张开型 (b) 闭合型
图4 张开与闭合节理介质裂纹扩展比较 Fig.4 Crack propagation comparison of open joint and
closed joint materials
从图5所示的动态焦散斑系列图像可以看出，在炸药爆炸后=t 10 μs 左右，应力波到达节理表面，应力波形发生变化，应力波条纹在节理背面明显减
第27卷第2期杨仁树，等. 节理介质断裂控制爆破裂纹扩展的动焦散试验研究 ? 247 ?
(a)t = 11 μs(b)t = 26 μs
(c)t = 71 μs(d)t = 101 μs
(e)t = 131 μs(f)t = 161 μs
(g)t = 191 μs(h)t = 221 μs
图5 动态焦散斑系列图像(张开节理)
Fig.5 Series of diagrams of dynamic caustics(open joints)
弱，并出现紊乱现象。而在=
t25 μs左右时，节理
两端出现焦散斑，形状为复合型裂纹的焦散斑；预
制节理两端焦散斑直径随着时间变化较为明显，
=
t221 μs时焦散斑直径比=
t131 μs时焦散斑直径
小得多。
上述现象产生的机制是爆炸应力波在遇到节理
自由面后发生反射，而反射波场性质与多种因素有
关，在一定条件下易造成节理面拉伸破坏[14]，所以
应力波发生衰减，节理后面看不到明显的应力波波
峰；在预制节理两端产生波的绕射，波的叠加作用
产生应力集中，致使翼裂纹产生。炸药起爆后，产
生了膨胀波(P波)与剪切波(S波)，一般P波波速是
S波的1.5～1.7倍，在传播过程中，它们相互分离，
独立传播。平面问题中P波以爆源为中心向外传播，
沿切缝方向最强，而S波在传播过程中波型较为紊
乱，它们在节理两端的绕射、散射，导致裂节理两
端的应力状态十分复杂。当爆炸载荷作用=
t10 μs
左右时，P波开始与节理作用，表现为切缝药包爆
炸产生的定向主裂纹贯穿节理面。随着爆炸应力波
在节理两端的散射，预制节理两端的应力状态不断
发生变化，其应力集中程度也随之而发生增强或减
弱，主要表现为节理两端的焦散斑形状和面积的变
化，预制节理两端的应力场变化呈现振荡性。
由式(3)，(4)，再利用基于多点非线性最小二乘
法的改进方法可得到爆炸应力场中节理两端翼裂纹
复合应力强度因子d
I
K和d
II
K的解[15]。图6为张开型
节理两端翼裂纹扩展时应力强度因子随时间的变化
规律(翼裂纹A表示节理面左端翼裂纹，翼裂纹B
表示节理面右端翼裂纹)。由图6可以看出，张开节
理两端翼裂纹A和B裂纹尖端动态应力强度因子的
变化趋势基本相似，呈逐渐增大到逐渐减小连续振
荡变化的趋势。由于张开节理面的反射作用，消耗
(a)翼裂纹A
(b)翼裂纹B
图6 应力强度因子–时间曲线(张开节理)
Fig.6 Curves of stress intensify factor(SIF) vs. time(open
joints)
? 248 ? 岩石力学与工程学报 2008年
了大量的能量，节理两端在=t 25 μs 时才出现焦散斑，翼裂纹动态应力强度因子随之才能算出。
翼裂纹A 的动态应力强度因子d
II K 刚开始低于
d I K ，在=t 40 μs 时超过d I K 并逐渐增大至 1.17
MN/m 3/2，然后下降，到=t 100 μs 时再次低于d I K ，说明在=t 40～100 μs 阶段爆炸应力波与裂纹尖端相互作用中，剪切波的作用是主要的。从=t 100 μs
以后，动态应力强度因子d I K 一直高过d
II K 并于
=t 131 μs 时出现峰值，其值为1.19 MN/m 3/2，说明
在此阶段爆炸应力波与裂纹尖端相互作用中，膨胀
波的作用是主要的。翼裂纹B 动态应力强度因子d II
K 曲线在=t 25～91 μs 时为逐渐上升阶段，其后总体呈下降趋势，动态应力强度因子d I K 曲线在=t 25～
131 μs 时为逐渐上升阶段，在=t 131 μs 时达到峰值，为1.28 MN/m 3/2。
张开型节理两端翼裂纹尖端复合应力强度因子随时间变化的曲线也反映了预制节理两端在爆炸冲击波的作用下能量积累和裂纹起裂、扩展的过程：爆炸冲击波传播到预制节理面时发生反射，消耗大量能量，并在节理两端出现应力集中现象，能量逐渐积累，动态应力强度因子不断增大，能量积累到一定程度后，节理两端开始起裂，这时动态应力强度因子开始下降，随着爆炸应力波的衰减，驱动裂纹扩展能量逐渐减弱，裂纹尖端的动态应力强度因子逐渐减小。
3.2 闭合节理对裂纹扩展规律的影响
图4(b)所示的为闭合节理在切缝药包爆炸后裂纹扩展变化的轨迹。切缝药包爆炸后垂直节理面产生一条主裂纹，裂纹表面比较光滑，主裂纹没有穿透节理，也是在节理两端产生了2条翼裂纹，2条翼裂纹的扩展轨迹呈曲线状态。闭合节理两端翼裂纹的扩展轨迹与张开节理两端翼裂纹的扩展轨迹相比较明显不同：一是2条翼裂纹长度明显比张开节理的2条翼裂纹要长，最长达5.6 cm ；二是2条翼裂纹比张开节理的2条翼裂纹向两侧偏移量要大；三是弯曲状态明显。从图7所示的焦散线图像可以看出，闭合节理对应力波波形的发展变化影响比张开节理的小，波形仍基本按原形传播，说明应力波在闭合节理处主要发生了透射，只有部分发生了反射。切缝药包爆炸后=t 1 μs 时在闭合节理的一端产生了一个焦散斑但焦散斑直径很小，随着时间的发展焦散斑直径逐渐变大，后又逐渐变小。
从图8可以看出，闭合节理两端翼裂纹A 和B
(a) t = 1 μs (b) t = 11 μs
(c) t = 21 μs (d) t = 31 μs
(e) t = 61 μs (f) t = 71 μs
(g) t = 101 μs (h) t = 111 μs
图7 动态焦散斑系列图像(闭合节理)
Fig.7 Series of diagrams of dynamic caustics(closed joints)
的裂纹尖端动态应力强度因子的变化趋势很明显，基本上也是逐渐增大到逐渐减小并连续振荡变化的
过程。翼裂纹A 动态应力强度因子d
II K 在=t 11 μs
时约为0.017 MN/m 3/2，远远低于d I K 。随着时间的
发展，动态应力强度因子d II K 在=t 30 μs 时首次超过
d I K ，并在其后50 μs 的时间内一直高过d I K ，最大值为1.21 MN/m 3/2；在=t 90 μs 时开始低于d I K 。而翼裂纹B 在=t 1 μs 时就产生动态应力强度因子，
此时动态应力强度因子d II K 也远远低于d I K ，d II K 在=t 11～51 μs 时间内超过d I K ；d II K 的最大值为1.33
第27卷 第2期 杨仁树，等. 节理介质断裂控制爆破裂纹扩展的动焦散试验研究 ? 249 ?
(a) 翼裂纹A
(b) 翼裂纹B
图8 应力强度因子–时间曲线(闭合节理) Fig.8 Curves of stress intensify factor(SIF) vs. time(closed
joints)
MN/m 3/2，到=t 81 μs 时d I K 值却高达1.72 MN/m 3/2，说明应力波与裂纹尖端相互作用中，初始阶段膨胀波的作用是主要的，剪切波作用次之，其后阶段出
现d I K ＜d II K 或d I K ＞d
II K 的现象，说明在爆炸应力波
与裂纹尖端相互作用中，膨胀波和剪切波的作用是极其复杂的。
显然裂纹尖端的焦散斑特征尺寸和复合应力强度因子的时间依赖性显示了爆炸应力波与裂尖相互作用的变化规律，表征裂纹尖端复合应力状态的强弱变化。一旦P 波与裂尖开始作用，裂尖的动态应力强度因子就产生了。在裂纹扩展的过程中，闭合节理两端在=t 1 μs 时就产生了动态应力强度因子，而张开节理两端在=t 25 μs 时才产生动态应力强度因子；闭合节理介质翼裂纹尖端动态应力强度因子峰值1.72 MN/m 3/2大于张开节理介质翼裂纹尖端动态应力强度因子峰值1.28 MN/m 3/2。这些现象都说明闭合节理两端能量积累的速度和数量都比张开节理的大一些。
4 结 论
通过利用动焦散测试系统对张开和闭合节理介质中定向断裂控制爆破裂纹扩展规律的研究，从裂纹扩展模式、动态应力强度因子及裂纹扩展机制的分析可以看出：
(1) 闭合和张开节理对切缝药包断裂控制爆破裂纹扩展规律的影响都是很大的，2种节理介质初
始裂纹都没穿过节理，均在节理两端产生了翼裂纹，张开节理两端翼裂纹最长为2.5 cm 而闭合型节理翼裂纹最长可达5.6 cm ，张开节理翼裂纹长度远远小于闭合节理翼裂纹长度。
(2) 2种试验中的翼裂纹尖端动态应力强度因子大致呈由小变大再变小振荡变化的趋势，在初始
阶段均有d I K ＞d
II
K 的现象，说明初始阶段膨胀波的作用是主要的。
(3) 闭合节理翼裂纹尖端动态应力强度因子与张开节理翼裂纹尖端动态应力强度因子比较，具有
峰值大、产生的时间早的特点。
(4) 裂纹尖端的焦散斑特征尺寸和复合应力强度因子的时间依赖性显示了爆炸应力波与裂尖相互作用的变化规律，表征了裂纹尖端复合应力状态的强弱变化，同时也表明了翼裂纹起裂、扩展和止裂的过程。
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《岩石力学与工程学报》2006年6项指标创新高
2007年10月，科学技术文献出版社公开出版了由中国科技信息研究所编写的《2007年版中国科技期刊引证报告(核心版)》(简称CJCR–2007)。报告中将我国2006年正式出版的1 723种科技期刊选列为当年的统计源期刊，并公布了各刊2006年的9项被引用指标。经与2001年以来由中国科技信息研究所公布的数据进行对比后发现，《岩石力学与工程学报》有6项指标创新高，现列表如下：
年份总被引频次影响因子他引率他引总频数引用刊数学科影响指标2006 3 344 0.794 0.66 2 207 260 1.00 2005 2 521 0.693 0.58 1 462 217 0.92 2004 2 647 1.959 0.41 1 085 171 0.69 2003 1
564 1.908 0.37 579 135 –2002 758 0.610 0.61 462 115 –
2001 557 0.610 0.61 340 100 –注：“–”表示该指标在当年尚未进行统计；各项指标的含义及作用可参见CJCR–2007。
由上表可知，近年来在本刊作者和编辑部的不懈努力下，本刊的学术水平、编辑质量和影响范围逐年有所提高。
(范文田供稿)
2008年1月5日
断裂力学习题
断裂力学习题 一、问答题 1、什么是裂纹？ 2、试述线弹性断裂力学的平面问题的解题思路。 3、断裂力学的任务是什么？ 4、试述可用于处理线弹性条件下裂纹体的断裂力学问题两种方法： 5、试述I型裂纹双向拉伸问题中的边界条件，如何根据该边界条件确定一复变函数，并由此构成应力函数，最后写出问题的解。b5E2RGbCAP 6、什么是应力场强度因子K1？什么是材料的断裂韧度K1C？对比单向拉伸条件下的应力及断裂强度极限b，，说明K1与K1C的区别与联系？p1EanqFDPw 7、在什么条件下应力强度因子K的计算可以用叠加原理 8、试说明为什么裂纹顶端的塑性区尺寸平面应变状态比平面应力状态小？ 9、试说明应力松驰对裂纹顶端塑性区尺寸有何影响。 10、K准则可以解决哪些问题？ 11、何谓应力强度因子断裂准则？线弹性断裂力学的断裂准则与材料力学的强度条件有何不同？ 12、确定K的常用方法有哪些？ 13、什么叫裂纹扩展能量释放率？什么叫裂纹扩展阻力？ 14、从裂纹扩展过程中的能量变化关系说明裂纹处于不稳定平衡的条件是什么？ 15、什么是格里菲斯裂纹？试述格氏理论。
16、奥罗万是如何对格里菲斯理论进行修正的？ 17、裂纹对材料强度有何影响？ 18、裂纹按其力学特征可分为哪几类？试分别述其受力特征 19、什么叫塑性功率？ 20什么是G准则？ 21、线弹性断裂力学的适用范围。 22、“小范围屈服”指的是什么情况？线弹性断裂力学的理论公式能否应用？如何应用？ 23、什么是Airry应力函数？什么是韦斯特加德 较厚内衬烟囱定向爆破拆除 本文主要叙述了较厚内衬烟囱的爆破拆除施工，针对工程的特性，重点阐述了锅炉房烟囱定向爆破拆除设计、安全校核和安全防护措施。 【关键词】定向倒塌；缺口；定向窗；起爆络；安全措施 1、工程概况 1．1、周围环境 该烟囱位于锅炉房西侧，东距锅炉房引风机间8m，南距送煤廊道11m，北距锅炉房10m，西部为空旷的煤场。 1．2、烟窗结构特点 烟囱为砖混结构，高35m，底部直径，内径，壁厚，其中内衬厚，隔热层厚，外壁厚，其顶部外径。要求进行爆破拆除，拆除过程中要确保厂房及周围设施的安全（具体建筑物平面布置见附图1）。 2、爆破方案设计 2．1、烟囱的倒塌方式 考虑到与南北建筑物最近有21m的距离及西部有长约100m的空旷场地，无需采用其它倒塌方案，选择定向倒塌方案，较易施工。其轴线方位为正西。 2．2、爆破缺口设计 2．2．1、缺口类型 缺口形式采用倒梯形，有利于烟囱倒塌方向准确和稳定塌落。 2．2．2、缺口高度H 爆破缺口高度的合理性能够保证烟囱在倾倒过程中不易出现较大的偏差，其高度按：H=（）δ=（）×=，取H=。 缺口离地面高度（2-3）δ=（）×=，取。 2．2．3、缺口弧长L 爆破范围为该处烟囱周长的1/2-2/3，取2/3，则L=2D外π/3=（2×）π/3=，D外为缺口底边外直径。 2．2．4、定向窗 定向窗主要采用人工预开切口以控制开口范围，并预留支承部分，必要时也可将所有缺口堵封填实，全部炮孔应同时或对称起爆，本工程定向窗采用三角形，高H=，宽B=。 中心窗主要为控制倒塌方向，取H=，B= 2．3、爆破参数与起爆络 2．3．1、布孔 炮孔布置：采取多排平行炮孔，方格形布置 孔深：L= δ=×= 孔距a= δ=×=，取a=。 孔距b= δ=×=，取b=。 δ为壁厚。 2．3．2、炮孔数量 中心窗炮孔N1=12个 （中心窗也可采用人工直接凿出缺口，定向窗采用人工凿出缺口） 定向倒塌需起爆孔数： N2=14×4=56个，按四排孔布置，每排布孔14个。 2．3．3、单孔药量 单孔药量Q孔和总装药量Q总 根据砖烟囱爆破单位用药量当壁厚为时，q取2100-2500 g/m3，参照爆破试验和爆破临空面情况，确定q=×（2100--2500）=1680--20XX g/m3；q取1800g/m3，Q孔=qabδ=1800×××=70克 内衬爆破药量 Q内=6×= Q总=×56+ Q内=+= 2．3．4、爆破方法与起爆络 采用电起爆法，用8号毫秒电雷管，分2段串联起爆，爆破顺序：1#---16#为1段，17#---56#为2段。炸药采用2号岩石销铵炸药。 电雷管检测：对电雷管进行统一测试，确保每发电雷管的电阻差在欧姆范围内。 2．3．5、内衬处理 在凹槽内设置药包先行进行处理，破坏周长的一半即可（见附图2）。 具体设计方法，为减少爆破震动对结构的影响，将起爆单响药量控制在，3段串联起爆，雷管采用8号毫秒电雷管。 3、安全技核与防护措施 3．1、安全技核 3．1．1、地震效应计算： 根据大量实测资料证明，质点振动速度与一次爆破的装药量的大小、测点至 断裂力学部分 岩石的断裂准则及其应用 传统的力学方法通常假定材料是连续的，不存在任何缺陷或裂纹。一般的做法是，根据结构的实际受力情况，计算出其中最危险区域的应力，乘以安全系数，若其小于屈服强度或极限强度，这认为该结构是安全的，反之则是不安全的。但是在实际结构中许多脆性材料，包括岩石，混凝土、陶瓷、玻璃等，其构件在远低于屈服应力的条件下发生断裂，即所谓的“低应力脆断”。研究表明，这种脆性破坏是由于宏观缺陷或裂纹的失稳扩展而引起的，由对这些内容的研究形成断裂力学。 目前研究裂纹的扩展有两种不同的观点：一种是从能量分析出发，认为物体在裂纹扩展中所能够释放出来的弹性能，必须与产生新的断裂面所消耗的能量相等。另一种是应力强度的观点，认为裂纹扩展的临界状态，是由裂纹前缘的应力场的强度达到临界值来表征的。这两种观点有着密切的联系，但并不总是等效的。 1基于能量分析的断裂理论 1.1格里菲斯（Griffith ）断裂理论 脆性材料的实际断裂强度要比理论计算的断裂强度低得多，为了解释产生这种现象的原因，早在19世纪20年代Griffith 就运用能量平衡原理对吹响材料作断裂强度分析，认为固体的破坏是裂纹扩展的结果。固体材料内部存在大量形状、大小、方向各不相同的裂纹，当收到外力作用时在裂纹的边缘部位会产生应力集中现象，当其中任何一点的应力达到材料的临界值，裂纹就开始扩展。裂纹扩展的临界条件是裂纹扩展时所需要的表面力正好等于由裂纹扩展时系统释放的弹性应变能，即得著名的Griffith 裂纹失稳的临界条件： a Er c πσ2= (1) 其中a 为裂纹半长，c σ裂纹扩展的临界应力，r 为单位面积的表面能。 对于三维裂纹，如以a 为半径的钱币型裂纹，亦可用同样的方法求的断裂强度c σ与a 的关系式： ()212νπσ-=s c r E a (2) 目录 1 工程概况 (1) 2 方案选择 (2) 3 爆破参数的确定 (4) 4 装药 (6) 5 爆破网路设计 (7) 6 安全距离计算 (8) 7 事故的预防及处理措施 (9) 8 附图 (11) 50m高烟囱定向拆除爆破技术设计 1.工程概况 1.1拆除物的状况 待拆烟囱高50米，系砖混结构。烟囱距地坪3.5米外直径为4.2米，顶部直径为2米。底部筒体为水泥沙浆砖砌体，自内向外依次为承重砖墙、隔热层和耐火内衬，厚度分别是0.49m、0.08m和0.24m。烟囱南侧地坪处开设一道内高3.0米，内宽为1.3米的半拱形烟道，北侧地坪处开设一道 0.8m×0.6m的矩形出灰口。 1.2爆区周围的环境 待拆烟囱位于某校区内，南侧7m为车间；西侧4m为简易平房；北侧50m为6层居民住宅楼；东侧50 m架空通讯电缆，架空电缆外侧为马路，约65m为活动中心及网球场。爆破环境示意图见图1。 1.3爆破拆除的目的及要求 由于进行校区建设的需要，拟预拆除该烟囱。甲方要求爆破拆除保证安全，拆除震动不对周围建筑物产生影响，尽量减少粉尘污染。 2.方案选择 待拆烟囱建于20世纪70年代，结构坚固完整，周围环境复杂，爆破时需保护民房及前面居民楼的安全。考虑到正北方向倒塌场地有限和烟囱的结构状况，若采取原地倒塌爆破拆除，爆堆塌落范围肯定大于7米，可能砸坏车间及民房，并且不易控制塌落范围；经分析决定采取定向控制爆破拆除方案，即选择朝北偏东45°方向倒塌。确保其合理性及安全性的措施如下： 1）提高烟囱爆破切口的位置，由于烟囱南侧地坪至+3.0米开设有烟道，此范围内烟囱结构与拟倒塌方位中心线不对称，可能会影响烟囱倒塌方向的准确性。为避开烟道口对烟囱定向倾倒过程中保留支撑体结构对称性的影响，决定将烟囱爆破切口底部提高到地坪以上+3.5米处。 2）优化切口参数，根据有关资料和爆破实践表明：在切口允许的范围内，切口所占比例过大，则留下支撑部分过小，在倾倒过程中容易发生扭转，同时产生不同程度的下坐，容易产生后坐；爆破切口比例过小，倾倒力矩较小，倾倒速度较小，倾倒过程不易后坐，倾倒过程中筒体折断现象较晚，倒地后前冲距离远，爆渣堆积长度尺寸较大。结合以往爆破实践，切口长度取该处烟囱周长的62%，保留支撑区长度为周长的38%。 3)开设定向窗，为确保设计的保留支撑体不受爆破切口区爆 第21卷 第1期山 西 煤 炭V ol 21 N o 12001年3月SHAN XI COAL M ar.2001 定向断裂控制爆破技术研究新动向 孙仁元 李剑刚 李 义 (太原理工大学) (晋城煤管局) (太原理工大学) 摘 要 分析了多种定向断裂控制爆破方法的原理、实质及优缺点,并提出了一种新型定向断裂控制爆破方法,总结了定向断裂控制爆破的共性,指出了此种爆破的优点。 关键词 定向断裂控制爆破;原理;切槽爆破;炮孔水压爆破中图分类号 TD 235 1 文献标识码 A 多年来,光面爆破在井巷施工中发挥了较好作用,取得了良好的经济效益,但是由于技术原理及 操作工艺等多方面因素的影响,单靠光面爆破还不能精确控制周边质量,特别在煤系和软岩地层结构发育条件下,普通光爆无法保证整个周边形成光滑面,因而超挖现象仍很普通,并且钻眼工作量大,影响掘进成本和效率。本文在总结前人研究成果的基础上,分析了各种定向断裂控制爆破的实质和特点,并提出了一种新的定向断裂控制爆破方法。1 定向断裂控制爆破技术 国内外很早就进行了定向断裂控制爆破的研究,目前,我国在断裂控制爆破技术的研究、设计和施工等方面已居世界前列。下面分述各种定向断裂控制爆破新技术。1 1 炮孔切槽爆破 炮孔切槽爆破(如图1)就是在炮孔上按预期开裂的方向刻制一定长度的切槽,然后在槽孔内装药爆破,实现岩石破碎的断裂控制。 此方法的基本特征是通过改变爆炸能量释放的各向均匀性来实现爆炸力相对集中作用。通过用脉冲激光全干涉法对炮孔刻槽进行了模型实验。与普通炮孔的爆破作用相比,切槽孔爆破的干涉条纹有明显不同,整个条纹主形状大致呈椭圆状(普通炮孔呈同心圆状),切槽连线方向即是长轴。说明切槽方向的爆破作用强于其它方向,图2为切槽捣槽 爆孔布置示意图。 1 切槽; 2 炮孔; 3 不耦合装药; 4 要求的爆裂面 图1 切槽爆破孔 1 切槽; 2 不耦合装药; 3 耦合装药; 4 要求的爆裂面图2 切槽捣槽爆孔布置示意图由碳酸脂板拍摄的动光弹照片可看出,普通炮孔的等差线条纹以炮孔为中心呈对称分布,而切槽孔爆破的等差线条纹在切槽两端十分密集,似发射状,条纹级数很高,形成两股半圆形闭和曲线。切槽方向形成了较大的应力集中。切槽尖端的应力集中系数愈大,则愈有利于切槽尖端处径向裂纹的首先开裂,有利于爆破的定向断裂。此方法的优点是可以减少炮孔数量,从而减少打眼长度;缺点是切槽孔爆破受钻具质量和切槽工艺的制约,特别是在深孔施工中难度很大。1 2 聚能装药定向断裂爆破 第一作者:孙仁元,男,1973年生,太原理工大学,在读硕士,030024 收稿日期:2000 07 05 一、节理 （一）基本概念 1、节理：岩石受力作用形成的破裂面或裂纹，称为节理，它是破裂面两侧的岩石没有发生明显位移的一种构造。 节理的产状也可用走向、倾向和倾角进行描述。 2、节理组和节理系：在同一时期，同一成因条件下形成的，彼此相互平行或近于平行的一群节理叫节理组；在同一构造应力作用下，形成有规律组合的节理组，叫节理系。 （二）节理分类 1、按节理的成因分类 节理按成因可分为原生节理、构造节理和表生节理。 (1)原生节理：指岩石形成过程形成的节理，如玄武岩的柱状节理 (2)构造节理：是岩石受地壳构造应力作用产生的，这类节理具有明显的方向性和规律性，发育深度较大，对地下水的活动和工程建设的影响也较大。构造节理与褶皱、断层及区域性地质构造有着非常密切的联系，它们常常相互伴生，是工程地质调查工作中的重点对象(相对于节理、表生节理)。 (3)表生节理：又称风化节理、非构造节理，是岩石受外动力地质作用(风、水、生物等)产生的，如由风化作用产生的风化裂隙等，这类节理限在空间分布上常局限于地表浅部岩石中，对地下水的活动及工程建设有较大的影响。 2、按力学性质进行分类 (1)张节理:在垂直于主张应力方向上发生张裂而形成的节理，叫张节理。张节理大多发育在脆性岩石中，尤其在褶皱转折端等张拉应力集中的部位最发育，它主要有以下特征： 裂口是张开的，剖面呈上宽下窄的楔形，常被后期物质或岩脉填充； 节理面粗糙不平，一般无滑动擦痕和磨擦镜面； 产状不稳定，沿其走向和倾向都延伸不远即行尖灭； 在砾岩或砂岩中发育的张节理常常绕过砾石、结核或粗砂粒，其张裂面明显凹凸不平或弯曲； 张节理追踪X型剪节理发育呈锯齿状。 (2)剪节理：岩石受剪应力作用发生剪切破裂而形成的节理，叫剪节理，它一般在与最大主应力呈45°夹角的平面上产生，且共轭出现，呈X状交叉，构成X型剪节理。它具有以下特征： 砖瓦厂废弃烟囱控制爆破拆除 第24卷第4期 2007年12月 爆破 BLASTING V o1.24No.4 Dec.2o07 文章编号:1001—487X(2007)04—0058—02 砖瓦厂废弃烟囱控制爆破拆除 吴亚东,马建军,蔡路军 (武汉科技大学,湖北武汉430081) 摘要:介绍了控制爆破拆除一座50m高烟囱的爆破设计方案,参数选择与计算及注意事项等,有一定的 参考价值. 关键词:控制爆破;定向倒塌;烟囱 中图分类号:TU746.5文献标识码:A DemolitionofaWasteChimneybyControlledBlasting yn—d0,MAJian-jun,CAILu-jun (WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China) Abstract:Theprogram,parameterselectionandcalculation,safetytechnologyandblastingr esultsofa50m— highchimneybycontrolledblastingareintroduced.Theresultscallbereferredtosimilarengi neeringprojects. Keywords:controlledblasting;directionalcollapse;chimney 1工程概况 湖北省应城市原砖瓦厂已破产,现准备在该址 上新建一座商城,对原场地作平场处理,需将一座废 弃的砖窑烟囱控爆拆除.该烟囱砖砌结构,高50 m,底部外径约5.5m,壁厚约1m,砖窑环绕烟囱布 置.厂区建筑大部分已拆除,因此烟囱四周为土质 空地,爆破环境相对较好.烟囱东侧200m处是居 住区,北侧150m处也是居住区,西侧50m处有一 间砖瓦结构民房,南侧50m处是该厂待拆房,如图 1所示. 2爆破方案选择与设计 对于高耸建筑物采用定向爆破拆除,施工速度 快,安全性好,成本低.应城市砖瓦厂的烟囱为砖砌 结构,有空旷土质场地可供烟囱倾倒,因此决定采用 定向倒塌的爆破方案.为确保爆破方案的顺利实 收稿日期:2007—06—07. 作者简介:吴亚东(1978一),男;武汉:武汉科技大学硕士生. 图1爆区环境示意图(单位:m) 施,决定先将围绕烟囱底部的部分砖窑预先人工拆 除.该烟囱底部有4个高1.7m,宽1.5m,离地面 约0.3m的半圆拱型烟道,4个烟道成对称布置,其 中沿东,西方向布置的2个烟道多年前就被用混凝 土堵死.混凝土厚度和烟囱厚度相同.根据现场情 况及烟道的大小,形状和方向,确定烟囱倒塌方向为 东面空地.待拆烟囱的隔热内衬若在爆破前不加处 理,很可能会影响烟囱的定向倒塌方向,因此决定在 爆前将爆破缺口处的隔热内衬作人工预拆除和爆破 第24卷第4期吴亚东等砖瓦厂废弃烟囱控制爆破拆除59 处理,使其失去承载能力.综合考虑烟道的高度,宽 度和位置,决定利用现有的南,北2个烟道做定向 窗,这样既可以保证爆破效果,也可以节约工时和器 层理 层理（stratification ） 在岩石形成过程中产生的，由物质 成分、颗粒大小、颜色、结构构造 等的差异而表现出的岩石成层构 造。一般厚几 厘米至几米， 其横向延伸可 以是几厘米至 数千米。常见 于大多数沉积 岩和一些火山 岩中，是研究地质构造变形及其历 史的重要参考面。 岩石层之间的分割面称为层理面。 沉积岩层的原始产状多是趋于水平 的，后来的构造运动可以使其倾斜、 直立、弯曲甚至发生破裂，形成褶 皱、节理、断层、劈理等构造形态。 层理有两种重要的类型：①粒级层 理。又称递变层理或粒序层理，其 特点是成岩物质颗粒粒度由底至顶 逐渐变细，其间无明显界线。但是在两个相邻的粒序层之间在粒度或成分上有明显的不同。②斜层理。又称交错层理，其特点是细层理大致规则地与层间的分隔面（主层理）呈斜交的关系，上部与主层理截交，下部与主层理相切。可以利用斜层理的倾向了解沉积物的来源方向。沉积岩中的层理的形成可能是沉积物结构和成分的变化或者沉积间歇、沉积季节的变化所致。火山碎屑物在其爆发和降落过程中，由于重力、颗粒大小和风的影响，成岩时也会形成具有分选性的层理。如果火山碎屑物落在湖泊或海洋中，则可形成类似于沉积岩的层理。 水平层理 是由平直且与层面平行的一系列细层组成的层理。它是在比较稳定的水动力条件下（如河流的堤岸带、闭塞海湾、海和湖的深水带），从悬浮或溶液中缓慢沉积而成的。 平行层理 主要产于砂岩中，在外貌上与水平层理极相似，是在较强的水动力条件下，高流态中由平坦的床沙迁移、在床面上连续滚动的沙粒产生粗细分离而显出的水平细层，沿层理面易剥开，在剥开面上可见到剥离线理构造，平行层理一般出现在急流及能量高的环境，如河流、海滩等环境中，常与大型交错层理、底冲刷相伴生。 2007断裂力学考试试题 B 卷答案 一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分） 1、（1）数学分析法:复变函数法、积分变换；（2）近似计算法：边界配置法、有限元法；（3）实验标定法：柔度标定法；（4）实验应力分析法：光弹性法. 2、假定：（1）裂纹初始扩展沿着周向正应力θσ为最大的方向；（2）当这个方向上的周向正应力的最大值max ()θσ达到临界时,裂纹开始扩展. 3、应变能密度:r S W = ，其中S 为应变能密度因子，表示裂纹尖端附近应力场密度切的强弱程度。 4、当应力强度因子幅值小于某值时，裂纹不扩展，该值称为门槛值。 5、表观启裂韧度，条件启裂韧度，启裂韧度。 二、推导题（本大题10分） D-B 模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的诸条件。 积分路径：塑性区边界。 AB 上：平行于1x ，有s T dx ds dx σ===212,,0 BD 上：平行于1x ，有s T dx ds dx σ-===212,,0 5分 δ σσσσΓ s D A s D B s B A s BD A B i i v v v v dx x u T dx x u T ds x u T Wdx J =+=+-=??-??-=??-=???)()(1 122112212 5分 三、计算题（本大题共3小题，每小题20分，总计60分） 1、利用叠加原理:微段→集中力qdx →dK = Ⅰ ?0 a K =?Ⅰ 10分 A 令cos cos x a a θθ==,cos dx a d θθ= ?111sin () 10 cos 22(cos a a a a a K d a θθθ--==Ⅰ 当整个表面受均布载荷时,1a a →. ?12()a a K -==Ⅰ 10分 2、边界条件是周期的: a. ,y x z σσσ→∞==. b.在所有裂纹内部应力为零.0,,22y a x a a b x a b =-<<-±<<±在区间内 0,0y xy στ== c.所有裂纹前端y σσ> 单个裂纹时 Z = 又Z 应为2b 的周期函数 ?sin z Z πσ= 10分 采用新坐标:z a ξ=- ?sin ()a Z π σξ+= 当0ξ→时,sin ,cos 1222b b b π π π ξξξ== ?sin ()sin cos cos sin 22222a a a b b b b b π π π π π ξξξ+=+ cos sin 222a a b b b π π π ξ= + 222 2[sin ()]( )cos 2 cos sin (sin )2222222a a a a a b b b b b b b π π π π π π π ξξξ+=++ 城市复杂环境烟囱定向爆破拆除设计与施工 【摘要】在城市建设过程中，为科学合理保护环境和周边设施，不可避免采用定向爆破拆除技术。本文结合某厂烟囱定向拆除的周围环境及结构特点,对烟囱进行爆破拆除。 【关键词】复杂环境;爆破拆除;设计施工 一、工程概况 本爆破工程位于某市西城区，因道城市道路建设和环保处理的原因，需要把该砖厂平整，恢复原貌，砖厂内部及周边的厂房已经平整完毕，只剩待爆破的三座烟囱，最近的B座距离环城公路仅50米，高度分别为：A座高46米；B座高46米，C座高48米；其中C座为独立型，烟囱底部厚度为0.75米，外部直径为2.8米；A和B座是互联的，底座厚度为0.65米，直径为2.2米，相距仅有35米，离A座约有250米，厂区北面80米为原厂区，现己平整；南面40米为稻田；西面是70米外是果园，东面50米为山谷路，公路沿线有电信及专用的光缆线。 二、拆除爆破方案的选定 本工程所涉及的三座烟囱具有倒塌的环境条件，因此本工程采用定向倒塌爆破方案。 1、根据烟囱周围环境，并考虑最近建筑物规避原则及预留壁体部分应尽量避开烟道口这一原则，确定其倾倒中心线方向为：C座的倒塌向东偏北45°；A 座和B座则倒向北偏西15°，倒塌区域用堆较湿的土作为缓冲层。 2、爆破点区域，烟囱每3米高有一混凝土肩梁，因此把爆破点选择在最底层一道圈梁的上部区域。 3、爆破切口，爆破切口采用梯形切口，爆破切口区内预先开2个窗口，两边起导向作用的各1个，两侧定向窗的好处是便于拆除内衬，确保倒塌方向的。 三、爆破设计 （一）、C座烟囱的爆破参数 1、爆破切口 爆破切口底线标高：+1m（高出砌体基础上部），烟囱底部外部直径2.8m，筒身壁厚δ=0.75m。 定向断裂控制爆破技术 河北建筑科技学院 田运生 高荫桐 中国矿业大学北京校区 杨仁树 摘 要 定向断裂控制爆破技术的应用,使周边眼间距在现有基础上增加40%以上,而炸药消耗降低30%～50%;循环炮眼数减少15% ～25%;眼痕率提高到 86%～95%;周边不平整度小于100mm ;每米岩巷掘进成本可降低200元以上。 关键词 岩巷施工 定向断裂 切缝药包 控制爆破 在岩巷施工中,至今仍普遍存在着较严重的超欠挖现象,直接影响岩巷成形质量和 单进水平的提高。目前我国仅国有煤矿岩石巷道年掘进量约2000km ,如果采用定向断裂爆破新技术,将浅孔爆破(<118m )改为中深孔爆破(2～3m ),对提高我国巷道施工速度和质量,具有现实意义。 定向断裂的爆破控制方法,归纳起来主要有两种类型:一是改变炮孔形状,如采用切槽孔或在炮孔两侧设置小直径空孔导向;二是改变装药结构,如采用聚能装药或在药卷外套上有利于能量集中作用的切缝或切槽外壳。这些方法的根本特征是通过改变爆炸能量释放的各向均匀性来实现爆炸力的相对集中作用。本文主要介绍在岩石巷道施工中应用效果好的切缝药包定向断裂控制爆破技术。1 切缝药包定向断裂原理分析 切缝药包装药结构如图1所示。套管切 缝中心线A A 方向,即为定向断裂裂缝产生方向。 图1 切缝药包的装药结构 套管中药卷爆炸后,由于切缝的存在,沿切缝方向的孔壁将直接受到爆炸冲击波的作用,在爆炸的动作用过程中,沿切缝方向孔壁处优先产生预裂隙,爆生气体的静作用,和复杂性[5]。正是由于屏幕上点的坐标式具有这种通用的参数格式,所以用此法编程不但简单,绘图准确,速度快,而且除了赋几个参数值不同外,对绘任一种轴测投影图都具有通用性。(3)由于这种方法完全可以把曲线(包括截交线,相贯线)的参数直接应用到计算机绘 图上,所以这样既丰富了计算机图形学的内容,又使理论图学与计算机绘图紧密联系起来,势必还将促进理论图学有关内容的发展。 6 2 （ （ = K I + K I(2) 1.简述断裂力学的发展历程（含3-5 个关键人物和主要贡献）。 答：1）断裂力学的思想是由Griffith 在1920 年提出的。他首先提出将强度与裂纹长度定量 地联系在一起。他对玻璃平板进行了大量的实验研究工作，提出了能量理论思想。（2）断裂 力学作为一门科学，是从1948 年开始的。这一年Irwin 发表了他的第一篇经典文章“Fracture Dynamic（断裂动力学）”，研究了金属的断裂问题。这篇文章标志着断裂力学的诞生。（3） 关于脆性断裂理论的重大突破仍归功于Irwin。他于1957 年提出了应力强度因子的概念，在 此基础上形成了断裂韧性的概念，并建立起测量材料断裂韧性的实验技术。这样，作为断裂 力学的最初分支——线弹性断裂力学就开始建立起来了。（4）1963 年，Wells 提出了裂纹张 开位移（COD）的概念，并用于大范围屈服的情况。研究表明，在小范围屈服情况下COD 法与LEFM 是等效的。（5）1968 年，Rice 等人根据与路径无关的回路积分，提出了J 积分 的概念。J 积分是一个定义明确、理论严密的应力应变参量，它的实验测定也比较简单可靠。 J 积分的提出，标志着弹塑性断裂力学基本框架形成。 2.断裂力学的定义，研究对象和主要任务。 答：1）断裂力学的定义：断裂力学是一门工程学科，它定量地研究承载结构由于所含有的 一条主裂纹发生扩展而产生失效的条件。 （2）研究对象：断裂力学的研究对象是带有裂纹的承载结构。 （3）主要任务：研究裂纹尖端附近应力应变分布，掌握裂纹在载荷作用下的扩展规律；了 解带裂纹构件的承载能力，进而提出抗断设计的方法，保证构件安全工作。 3.什么是平面应力和平面应变状态，二者有什么特点？请举例说明之。 答：（1）平面应力：薄板问题，只有xoy 平面内的三个应力分量σ x、σ y、τ xy； ε z ≠ 0， 属三向应变状态。 （2）平面应变：长坝问题，与oz 轴垂直的各横截面相同，载荷垂直于z 轴且沿z 轴方向无 变化； ε z = 0， σ z ≠ 0，属三向应力状态；材料不易发生塑性变形，更具危险。 4.什么是应力强度因子的叠加原理，并证明之。掌握工程应用的方法。 答：（1）应力强度因子的叠加原理：复杂载荷下的应力强度因子等于各单个载荷的应力强 度因子之和。 (1) 在外载荷T2作用下，裂纹前端应力场为 σ2，则相应的应力强度因子为K I(2) = σ 2 π a 如果外载荷T1和T2联合作用，则裂纹前端应力场为 σ1+ σ2，则相应的应力强度因子为 K I = (σ 1 + σ 2 ) π a = σ 1 π a + σ 2 π a (1) 6.为什么裂纹尖端会发生应力松弛？如何对应力强度因子进行修正？ 答：裂纹尖端附近存在着小范围的塑性区（设塑性区是以裂纹尖端为圆心，半径为r0 的圆 π a 形区域），材料屈服后，多出来的应力将要松驰（即传递给r>r0 的区域），使r0 前方局部地 区的应力升高，又导致这些地方发生屈服。即屈服导致应力松弛。 Irwin 提出了有效裂纹尺寸的概念a eff = a + r y对应力强度因子进行修正，在小范围条件下， 第25卷第5期 辽宁工程技术大学学报 2006年10月 Vol.25 No.5 Journal of Liaoning Technical University Oct 2006 收稿日期：2004-10-18 基金项目：河南省高校杰出科研人才创新工程资助项目（2006KYCX012）；河南省科技攻关资助项目（0624210002）； 河南教育厅科技攻关基金 资助项目（200510460005） 作者简介：梁为民（1967-），男，河北 承德人，博士，副教授，主要从事爆破工程、岩土工程方面研究，Email ：liangwm@https://www.wendangku.net/doc/1a6071041.html, 本文编校：赵 娜 文章编号：1008-0562(2006)05-0702-03 定向断裂控制爆破理论与技术应用 梁为民 1，2 ，杨小林2，余永强2，王金星 2 (1.总参工程兵 科研三所，河南 洛阳 471000 ；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000) 摘 要：基于定向断裂控制爆破技术参数的选取有别于普通光面爆破，研究了定向断裂控制爆破理论及应用成果。分析了定向断裂 控制爆破理论聚能装药结构和装药外壳切缝爆破技术定向导向缝成缝机理，提出了炸药爆炸能量随爆炸动静作用变化分配观点，指出定向断裂控制爆破实质是对炸药爆炸能量在介质中的作用加以控制的问题，研究新型装药结构，提高炸药爆炸的能量利用率和定向断裂方向的爆炸能流是改善定向断裂控制爆破效果的主要研究方向。 关键词：断裂控制；控制爆破；爆炸能量 中图分类号：TD 235 文献标识码：A Research on theory on directional fracture controlled blasting LIANG Wei-min 1,2，YANG Xiao-lin 2，YU Yong-qiang 2，WANG Jin-xin 2 (1.The Third Engineering Institute of Headquarters of General Staff, Luoyang 471000, China; 2.College of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China ) Abstract ：Base on the fact that the technical parameters of the direction fracture controlled blasting differ from those of the smooth-wall blasting, the theory and loaded constitution of the direction fracture controlled blasting are researched. In the paper, the mechanism of creating guide fracture of the cumulative blasting and the lancing cartridge blasting is analyzed. The allocating viewpoint of the blasting energy change with blasting is proposed. By analyses, the paper puts forward that the essential of directional fracture controlled blasting is the control of dynamite energy, and the new type of dynamite configuration that can increase dynamite energy-using ratio and explosion energy density in the fracture direction is the main research direction, Key words ：fracture control ；control blasting ；explosion energy 0 引 言 断裂控制爆破作为爆破领域的一个研究方向，现在从理论研究和技术发展上都有了很大的进展。断裂控制爆破与过去以爆破漏斗为理论基础的普通爆破相比，在爆破目的、作用机制、装药结构和炸药品种选择上都有很大的区别。不再以破碎为主要目的，而是以对作用介质形成一定宽度的平滑裂缝为主要目的。传统的光面爆破是以通过不耦合装药结构或空气柱间隔装药结构，降低装药爆炸对炮孔壁的作用，达到保护围岩的目的，确定光爆层参数就表明光面爆破仍是以爆破漏斗理论作为其理论研究基础。而定向断裂控制爆破理论主要是研究装药爆炸时介质预定方向裂缝的形成，即裂纹的起裂、扩展、和止裂。本文将分析定向断裂控制爆破理论和技术研究成果，并提出今后研究方向建议。 1 定向断裂控制爆破理论 关于定向断裂控制爆破理论的研究，目前主要以岩石断裂力学、损伤力学和分形几何等理论为研究手段，对定向导向缝形成、裂纹扩展、扩展速度，以及爆破断裂能量方面做了许多工作。 1.1 定向导向缝形成机理 在采用的定向断裂控制爆破技术中，除炮孔预切槽技外，聚能装药结构和装药外壳切缝技术是爆破切割效果最好的。其主要原理就是在炮孔之间的连线方向上首先形成初始裂缝。 当炸药爆炸时，聚能装药结构的药包在一个方向产生一定宽度B 的爆轰产物聚能流，先期到达炮孔表面；同样由于装药外壳有切缝，限制了爆轰产物的向外扩散，也在一定方向产生一定宽度B 的爆轰产物聚能流，以压力p 先期到达炮孔表面如图1。 岩石断裂力学复习题 1. 弹性体内的裂纹大致上可以分哪三种，在答题纸上按顺序绘出如图 2 的弹性裂纹薄板，在什么样的边界力作用下，裂纹将是 II 型， I 型，III 型，并分别写出其相应的应力强度因子计算式。 I 型： 边界条件： 当∞→z 时， 0xx =σ，∞=y yy σσ，0xy =τ 在裂纹面（y=0）上， 0y y =σ，0xy =τ 应力强度因子：a y πσ∞ I =K II 型： 边界条件： 当∞→z 时， ∞=ττxy ，0xx ==yy σσ 在裂纹面（z=x ±i0,a 当长度为2a 的裂纹存在时，模型增加的表面能S 为： Γ=a 4S （2） 当裂纹端部扩展一小段长度da （裂纹长度由2a 发展为2a+2da ）时，如果弹性势能释放率dW c /da 大于或等于表面能的增加率dS/da 时，裂纹会失稳，并进一步扩展。则裂纹扩展的条件可表达为： da dS da dW c = （3） 将式（1），（2）代入（3），可得远场力σ作用下，使裂纹失稳并扩展的裂纹临界长度a0为： 2/'20a πσΓ=E （4） 3. 什么是裂纹的应力强度因子的？其一般表达式是什么？量纲是什么？应力强度因子与弹性板材料的表面能密度间有何关系。 应力强度因子含义：表征裂纹端部应力场的特征物理量，和裂纹尺寸。几何特征 及荷载有关。 量纲：[应力]×[长度]1/2 应力强度因子与表面能密度的关系： G 表示裂纹扩展单位面积时系统提供的能量，称“能量释放率”，则： Ⅰ型：’E K G 2I I = Ⅱ型：’ E K G 2I I I I = Ⅲ型：E K G 2)1(I I I I I I +=ν（注意是E 不是E ’） 混合型：I I I I I I ++=G G G G R 为裂纹扩展单位面积所需能量，当G ≥R 时，裂纹扩展。对于理想脆性材料（无塑性变形），R=г，则可通过上方G 关于应力强度因子的表达式，建立理想条件下，裂纹处于临界扩展状态时，应力强度因子与表面能密度г的关系 （不过真的很少有这种提法）。 地质构造常识，看了就不会迷路哦 分享 首次分享者：新睿取已被分享1次评论(0)复制链接分享转载举报 一、节理 （一）基本概念 1、节理：岩石受力作用形成的破裂面或裂纹，称为节理，它是破裂面两侧的岩石没有发生明显位移的一种构造。 节理的产状也可用走向、倾向和倾角进行描述。 2、节理组和节理系：在同一时期，同一成因条件下形成的，彼此相互平行或近于平行的一群节理叫节理组；在同一构造应力作用下，形成有规律组合的节理组，叫节理系。 （二）节理分类 1、按节理的成因分类 节理按成因可分为原生节理、构造节理和表生节理。 (1)原生节理：指岩石形成过程形成的节理，如玄武岩的柱状节理 (2)构造节理：是岩石受地壳构造应力作用产生的，这类节理具有明显的方向性和规律性，发育深度较大，对地下水的活动和工程建设的影响也较大。构造节理与褶皱、断层及区域性地质构造有着非常密切的联系， 它们常常相互伴生，是工程地质调查工作中的重点对象(相对于节理、表生节理)。 (3)表生节理：又称风化节理、非构造节理，是岩石受外动力地质作用(风、水、生物等)产生的，如由风化作用产生的风化裂隙等，这类节理限在空间分布上常局限于地表浅部岩石中，对地下水的活动及工程建设有较大的影响。 2、按力学性质进行分类 (1)张节理:在垂直于主张应力方向上发生张裂而形成的节理，叫张节理。张节理大多发育在脆性岩石中，尤其在褶皱转折端等张拉应力集中的部位最发育，它主要有以下特征： 裂口是张开的，剖面呈上宽下窄的楔形，常被后期物质或岩脉填充； 节理面粗糙不平，一般无滑动擦痕和磨擦镜面； 产状不稳定，沿其走向和倾向都延伸不远即行尖灭； 在砾岩或砂岩中发育的张节理常常绕过砾石、结核或粗砂粒，其张裂面明显凹凸不平或弯曲； 张节理追踪X型剪节理发育呈锯齿状。 （ （ = K I + K I(2) 1.简述断裂力学的发展历程（含 3-5 个关键人物和主要贡献）。 答： 1）断裂力学的思想是由 Griffith 在 1920 年提出的。他首先提出将强度与裂纹长度定量 地联系在一起。他对玻璃平板进行了大量的实验研究工作，提出了能量理论思想。（2）断裂 力学作为一门科学，是从 1948 年开始的。这一年 Irwin 发表了他的第一篇经典文章“Fracture Dynamic （断裂动力学）”，研究了金属的断裂问题。这篇文章标志着断裂力学的诞生。（3） 关于脆性断裂理论的重大突破仍归功于 Irwin 。他于 1957 年提出了应力强度因子的概念，在 此基础上形成了断裂韧性的概念，并建立起测量材料断裂韧性的实验技术。这样，作为断裂 力学的最初分支——线弹性断裂力学就开始建立起来了。（4）1963 年，Wells 提出了裂纹张 开位移（COD ）的概念，并用于大范围屈服的情况。研究表明，在小范围屈服情况下 COD 法与 LEFM 是等效的。（5）1968 年，Rice 等人根据与路径无关的回路积分，提出了 J 积分 的概念。J 积分是一个定义明确、理论严密的应力应变参量，它的实验测定也比较简单可靠。 J 积分的提出，标志着弹塑性断裂力学基本框架形成。 2.断裂力学的定义，研究对象和主要任务。 答： 1）断裂力学的定义：断裂力学是一门工程学科，它定量地研究承载结构由于所含有的 一条主裂纹发生扩展而产生失效的条件。 （2）研究对象：断裂力学的研究对象是带有裂纹的承载结构。 （3）主要任务：研究裂纹尖端附近应力应变分布，掌握裂纹在载荷作用下的扩展规律；了 解带裂纹构件的承载能力，进而提出抗断设计的方法，保证构件安全工作。 3.什么是平面应力和平面应变状态，二者有什么特点？请举例说明之。 答：（1）平面应力：薄板问题，只有 xoy 平面内的三个应力分量σ x 、σ y 、τ xy ； ε z ≠ 0 ， 属三向应变状态。 （2）平面应变：长坝问题，与 oz 轴垂直的各横截面相同，载荷垂直于 z 轴且沿 z 轴方向无 变化； ε z = 0 ， σ z ≠ 0 ，属三向应力状态；材料不易发生塑性变形，更具危险。 4.什么是应力强度因子的叠加原理，并证明之。掌握工程应用的方法。 答：（1）应力强度因子的叠加原理：复杂载荷下的应力强度因子等于各单个载荷的应力强 度因子之和。 (1) 在外载荷 T 2 作用下，裂纹前端应力场为 σ2，则相应的应力强度因子为 K I(2) = σ 2 π a 如果外载荷 T 1 和 T 2 联合作用，则裂纹前端应力场为 σ1+ σ2 ，则相应的应力强度因子为 K I = (σ 1 + σ 2 ) π a = σ 1 π a + σ 2 π a (1) 6.为什么裂纹尖端会发生应力松弛？如何对应力强度因子进行修正？ 答：裂纹尖端附近存在着小范围的塑性区（设塑性区是以裂纹尖端为圆心，半径为 r0 的圆 π a 形区域），材料屈服后，多出来的应力将要松驰（即传递给 r>r0 的区域），使 r0 前方局部地 区的应力升高，又导致这些地方发生屈服。即屈服导致应力松弛。 Irwin 提出了有效裂纹尺寸的概念 a eff = a + r y 对应力强度因子进行修正，在小范围条件下， §3. 断裂构造 一、概念： 1、定义：岩体手构造应力作用超过其强度是而发生裂隙后错 断，破坏了岩体的完整性而形成断裂构造。 节理：沿破裂面没有明显位移。 2、分类： 断层：沿破裂面错动较大。 断裂构造在地壳中分布很广，极大影响了水工建筑的稳定性，且破裂面中的裂隙是水流的良好通道，易导致渗 漏。但断裂构造类型不同，则对工程影响也有差异。 二、断裂构造的力学性质特征 1、构造应力：压应力、张应力、扭（剪）应力。 应力：在地壳中一定范围内存在的地球内动力。 4、结构面与应力场的关系 a.压性结构面：压应力作用产生，结构面的走向与压应 力垂直。结果产生压性断层由剖面上的剪应力形成的断 层。 b.张性结构面：张应力作用的破裂面，结构面走向与张应 力垂直。产物:了：正断层面、张节理面。 c.扭性结构面：又称剪切结构面。结构面走向与压应力方 向45。—Ψ/2角度。产物：部分平移逆断层，剪节理面。 特点：扭性断裂由两组扭性结构面构造。平面上成 呈“X”型，且理论上结构面夹角为90。。但由于受其他 因素影响< 90。。所以β=45。—Ψ/2，Ψ—内摩擦角，塑 性Ψ1 < 脆性Ψ2 。所以45。> β1>β2。 三、断裂构造的形式：压应力、剪应力、张节理。 四、构造节理 1、概念：节理又称裂隙，具有明显方向性、规律性。其形成 与褶皱断层密切相关。 2、分类：据力学性质分类 a.剪节理：剪（扭应力）剪（扭）性结构面+构造线。又称“X”节理。 特征：①节理面平滑，产状稳定，沿走向、倾向延伸较 远，在砾石中常平直切穿坚硬的岩石。 ②呈闭和状裂隙本身宽度窄小，仅1~3mm。但在 构造应力作用的影响，也可裂开并充填的粘性 土后岩屑。 ③呈“X”型出现，相互交差切割，使岩层呈菱 形或方形。 ④呈羽状排列，主剪裂面有多条互相平行的微小 剪裂面组成，羽状节理也有共轭两组。 ⑤沿剪切节理面抗剪强度很低，在边坡、坝基岩 体中易形成滑动破坏等。 a.张节理：(1)张应力形成的破裂面较厚内衬烟囱定向爆破拆除-模板
岩石的断裂准则概述
50米高烟囱定向拆除爆破
定向断裂控制爆破技术研究新动向——已经打印
地质常识-节理
砖瓦厂废弃烟囱控制爆破拆除
结构面、层理、节理、片理、断层介绍
(完整版)断裂力学试题
城市复杂环境烟囱定向爆破拆除设计与施工
定向断裂控制爆破技术——已经打印
断裂力学答案
定向断裂控制爆破理论与技术应用——已经打印
断裂力学题
节理、构造、断层
断裂力学答案
断裂构造——节理构造