岩体爆破成缝的形成和发展

将岩体视为弹塑性体，用有限元方法计算钻孔爆破中的应力场，并结合模型试验进一步探讨裂缝的形成和发展。

1. 计算原理[38]

（1）在岩石中取出一块厚为一个单位的岩体进行有限元分割，用变刚度法作平面应变分析。由于把岩体作为弹塑性体，在塑性区内，应力和应变的关系是非线性的。为解决此问题，我们将外荷载（爆炸荷载）分成若干部分，用逐次增加荷载的方法，在一定应力和应变的水平上增加一次荷载。只要增加的荷载适当地小，则应力增量和应变增量之间的关系可认为是线性的。这样可以采用和弹性情况下类似方法列出计算格式，逐步加载，每一步解一个线性化问题，即可求得问题的解。

（2）本问题考虑非耦合装药，因而只考虑爆炸气体的作用。只要非耦合系数愈大，这种近似愈准确。此时，作用在炮孔壁上的爆炸荷载只要考虑炸药的燃烧压力，其值为：

式中 P0—— 标准大气压；

V0—— 炸药爆容；

T—— 炸药爆温；

Δ—— 装填密度；

α —— 余容。

2. 计算结果(www.xing528.com)

（1）本节采用的计算原始数据为：岩体尺寸46×36×1 cm3（图7-20）。共分割为324 个三角形单元，具有201 个节点。炮孔半径2 cm，装药间距为3 cm，两装药孔之间有一直径为4 cm 的空孔（导向孔）。岩体的应力应变曲线如图7-21 所示。装药的非耦合系数为3.5。按前式计算得到作用在炮孔壁上的爆炸荷载为8.1 MPa。

图7-20　计算岩体[38]

图7-21　应力-应变曲线

（2）计算得到炮孔连线上主拉应力 σ1和距离x 的关系曲线如图7-22 所示。在图中，实线是按照弹塑性计算所得的结果。虚线是按照纯弹性计算的结果，两者相差不大[38]。

图7-22　炮孔连线上主拉应力分布曲线[38]

（3）计算结果表明：药孔附近的主拉应力最大。随着远离药孔，此应力逐渐下降，当到达导向孔时，又略有上升。根据计算[38]在炮孔连线上的主应力 σ1是几乎垂直于炮孔连线的。（ σ1的方向和x 轴夹角在80°～100°）。由此，可以对裂缝的成因作如下解释。

当炮孔中的爆炸气体作用于孔壁时，炮孔边产生比较大的主拉应力 σ1。当 σ1超过岩体的抗拉极限强度时，岩体被拉裂。因此，岩石裂缝的形成和发展都是从炮孔边缘开始的。随着荷载的加大，此裂缝沿着炮孔连线贯通。导向孔起到应力集中的作用，可以保证裂缝向预定方向发展。