孔洞对爆生裂纹动态扩展行为影响研究

李盟; 朱哲明; 刘瑞峰; 刘邦

doi:10.11779/CJGE201812005

孔洞对爆生裂纹动态扩展行为影响研究 English Version

李盟^1,2,
朱哲明^1,2,
刘瑞峰^1,2,
刘邦^1,2

1. 深地科学与工程教育部重点实验室,四川成都 610065;
2. 四川大学建筑与环境学院,四川成都 610065

基金项目: 国家自然科学基金项目（11672194）; 四川省安全监管局安全生产科技项目（aj20170515161307）; 四川省科技计划项目（2018JZ0036）

详细信息

作者简介:
李盟（1987- ）,男,河南永城人,博士研究生,主要从事岩石断裂力学的研究工作。E-mail: LmLm0520@126.com。

中图分类号: TU45
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出版历程
- 收稿日期: 2017-10-10
- 发布日期: 2018-12-24

Influences of holes on dynamic propagation behaviors of blasting cracks

1. MOE Key Laboratory of Deep Underground Science and Engineering, Chengdu 610065, China;
2. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China

摘要

摘要: 试验研究含有预制裂纹的砂岩圆板在爆炸荷载下不同孔洞间距（S）对裂纹动态扩展行为的影响。试验中采用应变片测试获取爆炸加载波形作为AUTODYN数值模拟裂纹扩展效果及ABAQUS数值计算应力强度因子的加载力。试验中采用CPG测得裂纹起裂—扩展时刻,根据测得试验数据得出普适函数,对ABAQUS计算所得应力强度因子进行修正最终得到裂纹动态极限应力强度因子。通过对比分析在不同孔间距下裂纹的动态极限应力强度因子,裂纹扩展长度及裂纹扩展速度得出以下述结论：①孔洞对爆炸荷载下的预制裂纹动态扩展行为有所影响,且孔洞间距越小其影响效果越显著;②一般情况下裂纹的起裂极限应力强度因子要略高于扩展极限应力强度因子,裂纹的扩展速度对裂纹扩展极限应力强度因子有一定影响,且二者总体趋势呈反比;③当裂纹扩展至孔洞附近时,由于孔洞的作用提高了裂纹的扩展极限应力强度因子,进而降低了裂纹的扩展速度并减小了裂纹的扩展长度。此外若将孔洞视为隧道光面爆破中的辅助孔或周边孔,那么研究结论可为隧道光面爆破中控制断面内的原生裂纹扩展长度,以期达到隧道围岩最大程度上的完整性提供理论支撑。
- 极限应力强度因子 /
- 孔洞 /
- 裂纹扩展 /
- 爆炸荷载
Abstract: The influences of different spacings of holes on the pre-crack propagation behaviors of circular sand specimens under blasting loads are investigated. The explosive loading waveform from experiments is obtained as the loading stress of AUTODYN to simulate the crack propagation, and it is embedded in ABAQUS once more to calculate the stress intensity factor (SIF) of the static cracks under dynamic loads. The initiation-propagation time of pre-crack is measured by using CPG in the experiments. According to the CPG data to obtain the universal function, the dynamic initiation-propagation critical SIF is yielded by modifying the static SIF obtained from ABAQUS using the universal function. By comparing and analyzing the dynamic critical SIF, crack propagation velocity and length of crack propagation under different spacings of holes, we can obtain the following conclusions: (1) The holes have an effect on the dynamic propagation behaviors of cracks under blasting loads, and the smaller the spacing, the more remarkable the effect. (2) In general, the crack initiation critical SIF is higher than the propagation one, and the crack propagation velocity has influences on SIF, and their overall trends are inversely propotional. (3) The critical propagation SIF of cracks increases due to the action of the holes when they propagate near the holes, both of whose propagation length and velocity are reduced. In addition, if we take the holes as the auxiliary or surrounding ones in tunnel smooth blasting, the conclusions of this study will provide theoretical support for controlling the crack propagation length to achieve the integrity of surrounding rock.
- critical stress intensity factor /
- hole /
- crack propagation /
- blasting load

HTML全文

参考文献(28)

[1]	FAR M S, WANG Y.Probabilistic analysis of crushed zone for rock blasting[J]. Computers and Geotechnics, 2016, 80: 290-300.
[2]	YAO W, XU Y, LIU H W, et al.Quantification of thermally induced damage and its effect on dynamic fracture toughness of two mortars[J]. Eng Fract Mech, 2017, 169: 74-88.
[3]	CHEN P W, CHEN J J, GUO B Q, et al.Measurement of the dynamic fracture toughness of alumina ceramic[J]. Dynamic Behavior of Materials, 2016(1): 33-38.
[4]	NEMAT-NASSER S.Compression-induced ductile flow of brittle material fracturing of ductile materials[J]. International Conference on Fracture, 1989: 423-445.
[5]	DONG S M, WANG Y, XIA Y M.A finite element analysis for using Brazilian disk in split Hopkinson pressure bar to investigate dynamic fracture behavior of brittle polymer materials[J]. Polymer Testing, 2006, 25(7): 943-952.
[6]	NAKANO M, KISHIDA K, YAMAUCHI Y, et al.Dynamic fracture initiation in brittle materials under combined mode I/II loading[J]. Journal de physique, 1994, 4(C8): 695-700.
[7]	WANG Q Z, YANG J R, ZHANG C G, et al.Sequential determination of dynamic initiation and propagation toughness of rock using an experimental-numerical- analytical method[J]. Eng Fract Mech, 2015, 141: 78-94.
[8]	WANG X M, ZHU Z M, WANG M, et al.Study of rock dynamic fracture toughness by using VB-SCSC specimens under medium-low speed impacts[J]. Eng Fract Mech, 2017, 118: 52-64.
[9]	张财贵, 曹福, 李炼, 等. 采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度[J]. 力学学报, 2016, 48(3): 624-635. (ZHANG Chao-gui, CAO Fu, LI Lian, et al.Determination of dynamic fracture initiation, propagation, and arrest toughness of rock using SCDC specimen[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2016, 48(3): 624-635. (in Chinese))
[10]	WANG M, ZHU Z M, DONG Y Q, et al.Study of mixed-mode I/II fractures using single cleavage semicircle specimens under impacting loads[J]. Eng Fract Mech, 2017, 177: 33-44.
[11]	王蒙, 朱哲明, 谢军. 岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹动态扩展SHPB实验及数值模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(12): 2474-2485. (WANG Meng, ZHU Zhe-ming, XIE Jun.Experimental and numerical studies of the mixed-mode Ⅰ and Ⅱ crack propagation under dynamic loading using SHPB[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(12): 2474-2485. (in Chinese))
[12]	FREUND L B.Dynamic fracture mechanics[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.
[13]	RAVI-CHANDAR K.Dynamic fracture[M]. Oxford: Elsevier, 2004: 168-177.
[14]	徐文涛, 朱哲明, 曾利刚. 爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法初探[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(增刊1): 2767-2772. (XU Wen-tao, ZHU Zhe-ming, ZENG Li-gang.Testing method study of mode-I dynamic fracture toughness under blasting loads[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(S1): 2767-2772. (in Chinese))
[15]	KOWSARI K, SCHWARTZENTRUBER J, SPEKT J K, et al.Erosive smoothing of abrasive slurry-jet micro-machined channels in glass, PMMA, and sintered ceramics: Experiments and roughness model[J]. Precision Engineering, 2017, 49: 332-343.
[16]	ZAFAR M S, AHMED N.Nanoindentation and surface roughness profilometry of poly methyl methacrylate denture base materials[J]. Technology and Health Care, 2014, 22(4): 573-581.
[17]	李盟, 朱哲明, 肖定军, 等. 煤矿岩巷爆破掘进过程中周边眼对裂纹扩展止裂机理[J]. 煤炭学报, 2017, 42(6): 1691-1699. (LI Meng, ZHU Zhe-ming, XIAO Ding-jun, et al.Mechanism of crack arrest by peripheral holes during mine rockroadway excavation under blasting[J]. Journal of China Coal Society, 2017, 42(6): 1691-1699. (in Chinese))
[18]	朱哲明, 李元鑫, 周志荣, 等. 爆炸荷载下缺陷岩体的动态响应[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(6): 1157-1167. (ZHU Zhe-ming, LI Yuan-xin, ZHOU Zhi-rong, et al.Dynamic response of defected rock under blasting load[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(6): 1157-1167. (in Chinese))
[19]	ZHU Z M.Numerical prediction of crater blasting and bench blasting[J]. Int J Rock Mech Min Sci, 2009, 46: 1088-1096.
[20]	ZHU Z M, MOHANTY B, XIE H P.Numerical investigation of blasting-induced crack initiation and propagation in rocks[J]. Int J Rock Mech Min Sci, 2007, 44(3): 412-24.
[21]	ZHU Z M, XIE H P, MOHANTY B.Numerical investigation of blasting-induced damage in cylindrical rocks[J]. Int J Rock Mech Min Sci, 2008, 45(2): 111-121.
[22]	DONZE F V, BOUCHEZ J, MAGNIER S A.Modeling fractures in rock blasting[j]. Int J Rock Mech Min Sci, 1998, 34(8): 1153-1163.
[23]	BENDEZU M, ROMANEL C, ROEHL D.Finite element analysis of blast-induced fracture propagation in hard rocks[J]. Computers and Structures, 2017, 182: 1-13.
[24]	CHO S H, KANEKO K.Influence of the applied pressure waveform on the dynamics fracture processes in rock[J]. Int J Rock Mech Min Sci, 2004, 41(5): 771-784.
[25]	杨仁树, 许鹏, 岳中文, 等. 圆孔缺陷与I型运动裂纹相互作用的试验研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(6): 1598-1602. (YANG Ren-shu. XU Peng, YUE Zhong-wen, et al.Laboratory study of interaction between a circular hole defect and mode I moving crack[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(6): 1598-1602. (in Chinese))
[26]	SHIH C F, LORENZI H G, GERMAN M D.Crack extension modeling with singular quadratic isoparametric element[J]. International Journal of Fracture, 1976, 12: 647-651.
[27]	CHEN L S, KUANG J H.A modified linear extrapolation formula for determination of stress intensity factor[J]. International Journal of Fracture, 1992, 54: R3-R8.
[28]	ROSE L R F. Recent theoretical and experimental results on fast brittle fracture[J]. International Journal of Fracture, 1976, 12(6): 799-813.

施引文献(83)

期刊类型引用(49)

1.	马昭，张明礼，段旭晗，赵博. 大断面浅埋隧道地表沉降Peck修正公式及其应用. 长江科学院院报. 2024(03): 118-125 . 百度学术
2.	杨明，杨志浩，王亚. 急曲线电力盾构隧道侧穿桥桩扰动特性研究. 建筑科学与工程学报. 2024(02): 124-133 . 百度学术
3.	刘彦良. 水下大直径盾构下穿施工对防汛大堤影响研究. 建筑机械. 2024(07): 142-146 . 百度学术
4.	王小龙，朱晶晶，叶明鸽，胡卓，伍浩良，覃小纲. 软土地层下穿开挖引发上覆电缆隧道挠曲变形分析. 应用基础与工程科学学报. 2024(04): 944-956 . 百度学术
5.	李济良，罗栋林，胡迪川. 高速铁路隧道下穿尾矿库开挖安全稳定研究. 交通科技. 2024(04): 103-109 . 百度学术
6.	邓超. 基于昆山软土地层隧道工程的Peck公式优化. 低温建筑技术. 2024(07): 148-151+156 . 百度学术
7.	孙常新，胡江凡，裴书锋，张玉洁，臧东升，黄文辉. 地震作用对砂土中土拱效应影响的模型试验研究. 应用基础与工程科学学报. 2024(05): 1394-1406 . 百度学术
8.	李文乾，黄高亮，朱潇昂，刘明洪，陈俞超，胡安峰. 基于HSS模型双线隧道上跨施工对既有地铁影响. 岩土工程技术. 2024(05): 560-565 . 百度学术
9.	李兴虎，何聪，陈忠章. 小直径盾构隧道工程概述. 市政技术. 2024(10): 85-92 . 百度学术
10.	刘德军，乔可可，商奇，左建平，段抗，董海洋，张成瑞. 复合地层大直径盾构隧道侧穿既有桩基扰动影响研究. 中国矿业大学学报. 2024(06): 1144-1156 . 百度学术
11.	冯上泽，丁祖德，郭永发，丁文云，刘正初，王畅羽. 下穿机场隧道悬臂掘进机开挖引起的地表沉降规律研究. 隧道建设(中英文). 2024(S2): 319-328 . 百度学术
12.	王旭伟. Peck修正公式在郑许市域铁路地表沉降预测中的应用. 山西建筑. 2023(01): 163-167 . 百度学术
13.	朱明. 盾构穿越不同地层的地表沉降规律及预测研究. 江苏建筑. 2023(02): 63-66+105 . 百度学术
14.	黄戡，孙逸玮，陈湘生，邓喜，刘汝宁，吴奇江. 基于FDM-DEM耦合的盾构开挖面前方土体三维位移特性研究. 中国公路学报. 2023(06): 190-206 . 百度学术
15.	姜越，高祥志，李彦霖，戎思达. 超大直径盾构隧道下穿交通枢纽地下结构变形特征与机理. 工业建筑. 2023(S1): 575-578 . 百度学术
16.	夏琴，商兆涛，匡星晨，张红彬，王佐才. 芜湖过江隧道掘进对长江大堤沉降影响研究. 工程与建设. 2023(05): 1402-1407 . 百度学术
17.	赵志国. 盾构隧道下穿高速铁路有砟轨道路基不均匀沉降分析. 城市轨道交通研究. 2023(S2): 75-78+99 . 百度学术
18.	刘新峰，曹玉锋，尹泽政. 正常固结土层盾构隧道开挖对既有桥梁桩基的影响. 广东公路交通. 2023(06): 53-59 . 百度学术
19.	应宏伟，姚言，王奎华，张昌桔. 双线平行顶管上跨地铁盾构隧道施工环境影响实测分析. 上海交通大学学报. 2023(12): 1639-1647 . 百度学术
20.	李江. 软土地区钢顶管施工引起的地表变形规律. 西安科技大学学报. 2023(06): 1149-1157 . 百度学术
21.	魏立新，杨春山，刘力英，傅栋梁. 海珠湾过江隧道总体设计方案研究. 隧道建设(中英文). 2023(S2): 359-368 . 百度学术
22.	江帅，朱勇，栗青，周辉，涂洪亮，杨凡杰. 隧道开挖地表沉降动态预测及影响因素分析. 岩土力学. 2022(01): 195-204 . 百度学术
23.	丁智，冯丛烈，仇硕，陆钊，范俊聪. 双线不同盾构机掘进地表变形及施工参数影响分析. 现代隧道技术. 2022(01): 183-194 . 百度学术
24.	孙逸玮，黄戡，李宇健. 既有桥桩对盾构引起地表沉降槽的变形影响. 交通科学与工程. 2022(01): 79-87 . 百度学术
25.	刘磊. 复合地层大直径泥水盾构施工对邻近管道的影响分析. 四川建筑. 2022(02): 164-167 . 百度学术
26.	罗兴财，周小文，张盛红. 盾构施工地层损失控制方法及实例. 土木工程与管理学报. 2022(02): 12-18 . 百度学术
27.	李晗，陈有亮，王良杰，吴东鹏，周飞帆. 盾构开挖冻结法加固隧道的地表沉降对比分析. 工程勘察. 2022(06): 13-19 . 百度学术
28.	赵旭伟. 软土地层盾构下穿铁路枢纽沉降规律及施工控制. 隧道与地下工程灾害防治. 2022(02): 59-65 . 百度学术
29.	刘琤玉，王炳龙，宋福贵，徐俊，韩学芳. 盾构施工对铁路大角度斜交框架桥的影响分析. 地下空间与工程学报. 2022(S1): 318-325 . 百度学术
30.	尹光明，傅鹤林，侯伟治，严石生. Peck公式参数的几种取值方法研究. 铁道科学与工程学报. 2022(07): 2015-2022 . 百度学术
31.	何占坤. 盾构隧道下穿既有车站桩筏基础影响分析及施工控制——以杭州地铁5号线盾构隧道下穿杭州南站站房工程为例. 隧道建设(中英文). 2022(S1): 222-231 . 百度学术
32.	郭根发. 上海某地铁隧道衬砌内力及沉降变形分析. 吉林水利. 2022(08): 29-33+54 . 百度学术
33.	王锦华. 盾构隧道下穿对机场跑道影响的随机有限元数值模拟分析. 施工技术(中英文). 2022(21): 23-29 . 百度学术
34.	赵小虹. 盾构隧道施工引起地层损失率的变化规律. 山西建筑. 2022(24): 168-172 . 百度学术
35.	王立玲. 软土地层盾构法下穿多层浅基民宅施工变形控制. 安徽建筑. 2021(04): 102-103 . 百度学术
36.	朱林. 近距平行双线盾构隧道地表沉降曲线分析. 水利与建筑工程学报. 2021(03): 208-213 . 百度学术
37.	吴锋波，郑卫强，齐剑峰，王晓明. 地铁双线盾构区间地表横向沉降槽参数分析. 地下空间与工程学报. 2021(05): 1653-1663 . 百度学术
38.	谢雄耀，杨昌植，王强，曾里，侯剑锋，周彪. 南京和燕路过江通道盾构穿越长江大堤的沉降分析及控制研究. 岩石力学与工程学报. 2021(S2): 3313-3322 . 百度学术
39.	黄式浩，狄宏规，王友文，姚琦钰. 管片厚度对大直径盾构隧道受力及变形的影响. 华东交通大学学报. 2020(01): 15-22 . 百度学术
40.	李涛，崔远，刘波，刘学成. 岩-土复合地层隧道施工引起建筑物沉降计算. 华中科技大学学报(自然科学版). 2020(03): 86-91 . 百度学术
41.	王先明，鲁茜茜，蹇蕴奇，阮雷，王士民. 盾构隧道下穿既有铁路路基及框架箱涵地表沉降分析. 路基工程. 2020(02): 119-124 . 百度学术
42.	吴锋波，金淮，杨歧焱，郑卫强. 北京地铁隧道地表横向沉降槽参数分析. 隧道建设(中英文). 2020(05): 660-671 . 百度学术
43.	赵雄. 盾构区间地层损失率等参数的研究. 工程勘察. 2020(11): 13-16 . 百度学术
44.	张国权. 地铁隧道盾构施工引发的地层位移影响研究. 山东煤炭科技. 2020(11): 178-179+182+186 . 百度学术
45.	包蓁. 特殊工况超大直径盾构施工地表变形分析研究——以上海市北横通道Ⅱ标盾构隧道施工为例. 现代隧道技术. 2020(S1): 394-403 . 百度学术
46.	甘晓露，俞建霖，龚晓南，朱旻，程康. 新建双线隧道下穿对既有盾构隧道影响研究. 岩石力学与工程学报. 2020(S2): 3586-3594 . 百度学术
47.	易顺，陈健，柯文汇，陈斌，刘府生，黄珏皓. 考虑小应变特性的软土盾构隧道地层变形分析. 岩土工程学报. 2020(S2): 172-178 . 本站查看
48.	胡振联，刘艺，姜梦林，夏辉. 西安地铁某区间盾构施工产生左、右线地面沉降显著差异原因浅析. 地下水. 2019(06): 81-84 . 百度学术
49.	张鹏远. 土压平衡盾构机下穿软弱浅覆土河床施工关键技术. 市政技术. 2019(06): 103-106 . 百度学术