岩体爆破成缝的学者观点对比分析

（1）黄理兴先生[42]在经过应力波作用模型试验后，又模拟预裂爆破、扩展速度试验来探讨裂隙的形成机理。他认为：

① 在考虑耦合装药与线装药密度及孔间距等参量的情况下，炸药在钻孔中起爆后，对周围介质的作用首先是应力波效应，岩石在应力波的冲击作用下将作径向压缩，并迫使岩石质点作径向运动，沿孔壁产生径向裂纹。在应力波作用的同时，爆生气体急剧膨胀，产生气刃作用，加强了应力波的破岩效果。由于应力波传播到邻孔壁时产生反射拉伸的作用，增强了与波传播方向一致的原来孔壁上已产生的径向裂纹扩展的作用。应力波的叠加与来回反射制定了两炮孔之间的应力场，给裂纹的传播方向起了导向作用。反射拉伸波与新生裂纹的相互作用加上爆轰气体的准静态应力场作用促使裂纹扩大并继续向前延伸。在两炮孔间距合适时，经过裂纹的扩张、重合、分岔等一系列复杂的过程，两边裂缝贯通，最后形成具有一定宽度的裂缝带。

② 小语：

综上所述，我们将钻孔预裂爆破与光面爆破破岩成缝的机理归纳为：

炸药在钻孔中爆炸后，强大的应力波冲击介质使其在孔壁周围产生一系列随机的微小径向裂纹。

爆轰气体的急剧膨胀，使产生的新生裂纹扩展。

来自邻孔的应力波在迎波面的孔壁上产生反射拉伸，并与新生的裂纹相互作用，促使裂纹的扩展。

应力波在钻孔间的来回反射与相互叠加并与材料内部节理裂隙等缺陷的相互作用，使天然裂缝产生失稳、扩展、分岔等现象，使得在钻孔连心线上形成一定宽度的裂纹带，起了应力场分布与裂缝传播的导向作用。

应力场的改变，导致除钻孔连线区域内以外材料内部应力的释放，应力在裂纹带集中，裂缝在此区域内扩展、分岔并合并，在炮孔间距合适时，主裂缝汇交，最后形成具有一定宽度的预制裂缝。

（2）南非人布朗（Brown）的高速摄影试验证明：

炮孔孔壁边开裂发生在爆轰波之后、冲击波形成的同时，而裂缝扩展较迟，可以认为是气体产生的，应力集中和应力波的干扰也是存在的[42]。

（3）文献[43]中，在树脂玻璃里进行预裂爆破实验，炮孔直径2.8 mm，不耦合系数为2，两个炮孔使用导爆索同时起爆，用表面形态学对预裂成缝进行研究。结果表明：当两个预裂孔间距小于等于6 倍炮孔直径时，裂缝从两个炮孔连线的中间位置开始开裂，分别向两个炮孔方向扩展、贯通，说明在两孔连线中间位置，应力波叠加后所产生的拉应力峰值大于树脂玻璃的动态抗拉强度，首先开裂，当两个预裂孔间距加大时，裂缝开裂的起始位置向炮孔附近靠近，但并不是从孔壁开裂，然后分别向炮孔及连线中点方向扩展，说明在两孔连线中间位置应力波叠加后所产生的拉应力峰值小于树脂玻璃的动态抗拉强度，不足以产生开裂，而在炮孔附近产生的叠加拉应力峰值大于材料的抗拉强度，首先产生开裂，裂缝与炮孔连通后，爆生气体扩散到裂缝前端，促使裂缝进一步扩展，直至与相邻孔贯通为止，或气体压力降低到不足以使裂缝继续扩展为止。

实际预裂爆破过程中，不可能使相邻炮孔实现严格意义上的同时起爆，但是预裂缝还是形成了，所以，预裂爆破过程中，爆生气体起到了作用[42,44]。爆生气体作用时间比应力波作用时间长得多，对相邻炮孔同时起爆的时间差要求也就变得不是太严格了[45]。

小结[42]：

综上所述，可以认为，在岩石中进行预裂爆破时，由于采用不耦合装药，炸药爆破后所产生的气体作用在孔壁上的压力小于岩石的动态抗压强度，孔壁周围岩石不会因为受压产生破坏，由于预裂炮孔间距较大（通常大于6 倍孔径），在两孔连线的中点位置产生的应力波叠加后小于岩石的动态抗拉强度，在此位置不会首先开裂。(www.xing528.com)

由于岩石是各向异性的非均质材料，会有一些原生微裂纹，这些微裂纹在应力波的作用下会受到径向拉应力作用，在两孔连线方向上靠近孔壁的裂纹受到拉应力的合成作用，以及爆生气体准静态压应力联合作用，最先开裂，随着裂纹的扩展，能量消耗，裂纹扩展速度显著下降，甚至停止扩展，爆生气体扩散速度也会因为裂纹的扩展而迅速降低，但在裂缝贯通之前，爆生气体扩散却不会停止，因此，爆生气体总会追上裂纹扩展前端，此时，气体作用在裂缝壁上的压应力大于岩石的动态抗拉强度，裂缝将进一步扩展，如此反复，直至裂缝形成为止。

由以上的分析可以推断，预裂缝的形成是应力波和爆生气体共同作用的结果，在预裂缝形成的过程中，裂纹的扩展速度是变化的，气体的作用也是间断的，但由于两者的速度都比较大，观测起来有很大难度。

（4）用岩石断裂力学的论点解释预裂成缝[47]

按照线性断裂力学的见解，当材料受拉时内部裂纹处于张开状态，即为张开型裂纹，裂纹尖端的应力强度以强度因子KI表示。

式中 σ —— 外加应力；

a —— 裂纹长度；

Y —— 与裂纹形状、加载方式及材料特性有关的量。在KI时，裂纹尖端产生内应力KY。外加应力σ 增大，KI随之增加，KY也增大，当KY大到足以使材料分离，从而导致裂纹失稳时，则裂纹扩展，岩石断裂。此时应力强度因子称为临界应力强度因子，用KIC表示，它又称为断裂韧性。

式中 σC—— 导致裂纹失稳时的临界外加应力。

因此KI和KIC有着密切的关系，但其意义却完全不同。

由上述概念得知，用断裂力学解释预裂成缝，重要的岩石必须存在某些裂缝，当然它们或者是天然的，或者是由于应力波的作用产生的。因为当高压气体作用时，孔间拉应力使原有裂纹呈现张开型，如果KI≥KIC裂缝将会扩展，KI若远大于KIC，裂缝将以较高的速度扩展。KI的大小由炮孔内气体压力决定。如果压力没有得到补充，KI的值随裂缝的扩展而减小，当减小至小于KIC时裂缝停止延伸。只要预裂孔间的裂缝扩展并连通起来即可形成预裂面[32]。

（5）长江科学院张正宇（教授级高级工程师）[47]1980 在《预裂爆破及其在水工建设中的运用》一文中曾对这预裂爆破成缝理论作了以下简单论述。“这一理论可以采用以下非常粗略的模式来描述，爆炸应力波由炮孔向四周传播，在孔壁及炮孔连线方向出现裂缝，随后在爆炸气体作用下，使原先的预裂逐步发展扩大，最后形成平整的开裂面”。作者[47]认为理论概括岩体定向断裂原理。“上述模式将预裂成缝机理分为两个过程，即应力波的作用过程和高压体的作用过程，它们有先后，但又是连续的不可分割的”。

文章[47]还指示：“第一过程，应力波的作用。当它从孔壁向周围传开后，引起的切向拉应力超过岩石的抗拉强度而使岩石破裂。最初的裂缝出现在从炮孔壁向外的距离内。如果应力波在两孔之间能够发生叠加，那么，在此区段内，合成拉应力也可能使岩石产生裂缝。因此，应力波的作用，既能够发生叠加，也能在炮孔之间出现某些发状破裂，上述裂缝可能连接起来。于是炮孔连线方向出现较长裂缝的概率较其他方向大得多。这些裂缝给预裂面的形成创造了有利的导向条件。

爆炸高压气体紧接着应力波作用到孔壁上，它的作用时间比应力波要长得多，孔周围便形成类似于静态应力场。相邻炮互相作用，并互位于应力场中。孔中连线方向产生很大的拉应力，孔壁两侧产生拉应力集中。如果孔的间距很近，则炮孔之间连线两侧全部是拉应力区，如图7-23，并达到足以拉断岩石的程度。