Page 153 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 陶 明，等： 不同倾角充填节理对岩石爆破块度的影响 第 6 期

波输入的能量被消耗。由于节理的抗压刚度往 Total energy
1
往大于剪切刚度，因此压缩变形比剪切变形消耗 Energy reflection
的能量更多。爆破过程中，节理面应力分解如 Reflected coefficient
图 22 所示，表示为： energy
®
σ n = σ i sinβ Energy reflection coefficient Energy
(6)
τ = σ i cosβ Compressive
式中：σ 为入射应力。根据式 (6) 可以得出当节 deformation energy
i
理倾角小于 45°时，节理面上的剪应力 τ 大于法
Shear deformation energy
应力 σ ，此时节理变形以剪切变形为主；当节理
n 0 45 90
倾角大于 45°时，法应力 σ 大于剪应力 τ，此时
n
β/(°)
节理变形以压缩变形为主。节理倾角不同，节理
图 24 不同倾斜节理爆破能量消耗示意图
变形过程中消耗的能量也不同，如图 24 所示。
Fig. 24 Schematic diagram of energy consumption during
可以认为节理变形所消耗的能量与应力波 blasting for different inclined joints
的反射共同决定了试样的最终破碎程度，但试验
中爆破块度的分布与应力波反射系数的分布趋势并不一致，随着节理倾角的增大，爆破块度先逐渐减小
后又增大。这一发现有助于在考虑节理填料和节理倾角的情况下理解和优化节理岩体的爆破设计，当
节理填料具有较高的法向刚度时，建议避免钻孔与节理面平行。同样，当节理填料具有较高的剪切刚度
时，使钻孔与节理之间的角度略大于 45°可能会获得更好的爆破效果。
初始应力对爆炸应力波的传播和裂纹沿节理的扩展也起着至关重要的作用 [12] 。在没有初始应力的
情况下，节理失效是由于应力波反射引起的拉应力和爆炸引起的直接动态压缩的共同作用而发生的。
不同的是，当存在初始应力时，节理的变形及其与应力波的相互作用与没有初始应力的情况不同 ，这导
[1]
致节理与爆破自由面之间发生多次反射和能量吸收。
此外，工程中节理发育情况复杂，受倾向、倾角和走向影响，呈现三维空间排列特征。爆破产生的应
力波以不同角度遇到节理时，会产生三维散射，大大增强了应力波与节理相互作用的复杂性。

5 结 论

本文结合物理模型试验和有限元数值模拟，综合研究了不同倾角充填节理对类岩石材料爆破破碎
的影响，分析了爆炸荷载作用下单节理模型的块度分布、应力波传播及裂纹扩展情况，得到以下结论。
(1) 物理模型试验表明，节理的存在对爆破效果有显著影响。节理的变形影响爆破时的能量消耗，
导致不同节理倾角下能量反射程度不同。爆破块度随节理倾角的增大呈现先减小后增大的趋势，可以
确定倾角约 45°的节理是爆破破碎的最有利情况。
(2) 节理处产生的应力波反射对岩石爆破破碎产生明显影响，反射产生的拉伸应力波能量促使岩体
发生二次破碎，导致节理面附近拉伸裂纹增多。
(3) 爆炸应力波穿过节理时发生明显衰减，导致质点振动振幅减小，有效应力减小，透射因子和有效
应力总体呈现减小趋势，且在 45°和 60°附近出现上升拐点。

参考文献：

[1] LIU T T, DING L Y, ZHENG Y, et al. Calculating the attenuation of stress waves passing through an in situ stressed joint
using a double nonlinear model [J]. Waves in Random and Complex Media, 2024, 34(6): 5056–5076. DOI: 10.1080/17455030.
2021.2003477.
[2] HUANG X L, QI S W, XIA K W, et al. Particle crushing of a filled fracture during compression and its effect on stress wave
propagation [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018, 123(7): 5559–5587. DOI: 10.1029/2018JB016001.

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