工程爆破基本理论

其它炮孔均存在有与它平行或大致平行的自由面。平行自由面的柱状装药形成松动漏斗的体
积近似为：
VL=rLWLb 式中 ，Lb—炮孔长度。 最小抵抗线与松动作用半径或临界抵抗线 WC 在几何上有下列关系：
W=WCcosβL=WC/（1+tg2βL）1/2= WC/（1+nL2）1/2 将式（2-1-2）代入式（2-1-1），得：
软岩中最为明显）外，还从装药中心向 外依次形成压碎区、裂隙区（亦称破坏
3
4
区）和震动区（见图 2-1-1）。
在压碎区内，岩石被强烈粉碎并产
生较大的塑性变形，形成一系列与径向
方向成 45°的滑移面。
在裂隙区内，岩石本身结构没有发
生变化，但形成辐射状的径向裂隙，有 时在径向裂隙之间还形成有环状的切向 裂隙。
⑴、 爆破的介质在什么作用力下破坏的；破坏的规律及其影响因素； ⑵、 爆破介质的特性，包括目标（岩土）的结构、构造特征、动态力学性质及其对爆
破效果的影响； ⑶、 爆炸能量在介质中传递速率； ⑷、 介质的动态断裂特性与破坏规律； ⑸、 介质破碎的块度及碎块分布、抛掷和堆积规律； ⑹、 空气冲击波与爆破地震波的传播规律、个别爆破碎块的飞散距离；以及由冲击 波、地震波、个别飞石、爆体的落地震动等引起的爆破危害效应及其控制技术。 以岩石爆破为例，目前大量实验室和现场试验证明，岩体的爆破破碎有以下规律：（1）、 应力波不仅使岩石的自由面产生片落，而且通过岩体原生裂隙激发出新的裂隙，或者促使原 生裂隙进一步扩大，在应力波传播过程中，岩体破碎的特点是：原生裂隙的触发、裂隙生长、 裂隙贯通、岩体破裂或破碎；（2）、加载速率对裂隙的成长有很大作用：作用缓慢的荷载有利 于裂隙的贯通和形成较长的裂隙，而高速率的载荷容易产生较多裂隙，但却拟制了裂隙的贯 通，只产生短裂隙；（3）、爆破高压气体对裂隙岩体的破碎作用很小，但它有应力波不可替代 的作用：可以使由应力波破裂了的岩体进一步破碎和分离；（4）、岩体的结构面（岩体弱面的 统称，包括节理、裂隙、层理等各种界面）控制着岩体的破碎，它们远大于爆破作用力直接 对岩体的破坏。 同其它学科对事物的认识规律一样，对爆破理论的研究也是由浅入深的。不同学者先后 提出了各种各样的假说或理论，例如，最初提出了克服岩石重力和摩擦力的破坏假说，以后 又相继提出了自由面与最小抵抗线原理，爆破流体力学理论，最大压应力、剪应力、拉应力 强度理论，冲击波、应力波作用理论，反射波拉伸作用理论，爆生气体膨胀推力作用理论， 爆生气体准静楔压作用理论，应力波与爆生气体共同作用理论，能量强度理论，功能平衡理 论，利文斯顿（Livingston）爆破漏斗理论和爆破断裂力学等等理论。这些理论观点各异，有 些相互矛盾，有些互相渗透，有些不够全面，存在片面性，而且大部分视爆体为连续均匀的 介质，与实际情况尚有一定差距。 目前，在爆破界比较倾向一致的是“爆炸冲击波、应力波与爆生气体共同作用”理论， 而且开始以爆体为非连续性非均匀性介质进行研究，从而能提高理论研究的深度，使理论结 果比较接近实际。
震动动区内的岩石没有任何破坏， 只发生震动，其强度随距爆炸中心的距 离增大而逐渐减弱，以致完全消失。
在工程中，利用爆炸空腔（压缩区）
2RK 2RC 2RP
RK——空腔半径；RC——压碎区半径；RP——裂隙区关径 1——扩大空腔（压缩区）；2——压碎区；3——裂隙区；4——震动区
图 2-1-1 装药在无限介质中爆炸作用
果或现象。药了解产生这种现象的物理实质、计算装药爆破作用的有关参数，必须进一步研
究固体介质爆破的破坏机理和抛掷原理。
2.2 爆炸冲击波、应力波在固体介质内部及在自由面影响下的破 坏作用原理
装药在固体介质中爆炸，由于介质的非均质性、爆炸反应的特殊性（高温、高压、高速） 等多方面因素的影响，爆破的破坏过程是非常复杂的。
当爆破漏斗的锥顶角大于一定限度后，破碎的岩石将被抛出漏斗。发生这种作用的装药 称为抛掷装药，其形成的爆破漏斗称为抛掷漏斗。在抛掷漏斗周围，通常还保留有部分已破 碎、但未能被抛出的岩石，这部分岩石称为松动锥，它属于松动漏斗内保留下来的部分。抛 掷过程结束后，一部分岩石回落到抛掷漏斗内。此外，堆积在漏斗周围的一部分岩石也会滑 落到漏斗内。在自由面上能看到的爆破漏斗称为可见漏斗，其深度称为可见深度 P（图 2-1-5）。
2. 工程爆破基本理论
爆破理论就是研究炸药爆炸与爆破对象（目标）相互作用规律的有关理论。对于内部爆 破（装药置于爆破对象内部），例如岩土爆破，就是研究炸药在岩土介质中爆炸后的能量利用 及其分配，也就是研究炸药爆炸产生的冲击波、应力波、地震波在岩土中的传播和由此引起 的介质破坏规律，以及在高温高压爆生气体作用下介质的进一步破坏及其运动规律；对于外 部爆破（装药与爆破对象之间有一定距离），例如军事上采用的接触或非接触构件爆破，就是 研究炸药爆炸后产生的冲击波在传播过程中与目标的相互作用以及由此引起的爆破目标的破 坏及其运动规律。它是一个复杂而特殊的研究系统。要阐明爆炸的历程、机理和规律，应包 括以下研究内容：
抛掷和松动作用半径主要决定于炸药性质、岩石性质和装药量。此外，抛掷作用半径还
与最小抵抗线有关，而松动作用半径则与最小抵抗线无关，并等于装药的临界抵抗线 WC。 在爆破岩石时，通常采用装药直径较小、装药长度较大的柱状装药。而且只需要将岩石
从原岩体上破碎下来，不要求产生大量抛掷。此外，除某些形式的布孔方式（掏槽孔）外，
（2-1-1） （2-1-2）
VL= WC2Lb nL/（1+nL2）
（2-1-3）
该式表明，当 WC 和 Lb 固定不变时，柱状状药形成松动漏斗的体积为松动爆破作用指数
nL 的函数，并存在有使漏斗体积达最大的 nL 值。按求极值方法，令：
d VL/d nL= WC2Lb（1+nL2-2 nL2）/（1+nL2）=0
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的最小抵抗线 W0 称为最优抵抗线，Δ0=W0/WC 称为最优埋置系数。若继续减小Δ值，漏斗 锥顶角虽能继续增大（不可能无限增大，只能增大到一定限度），Vu 值却反而减小（图 2-1-3）。 当Δ=0 即 W=0 时，虽仍可以形成爆破漏斗，但其体积很小，这种置于岩石表面的装药称为 裸露装药，俗称糊炮。
P0V0γ1= P0V0γ1 ， （P1≥2000MPa） P1V1γ2= P2V2γ2 ， （P1≤2000MPa） 式中，γ1—高压状态指数，取为 3；
而一般土的强度不超过 102MPa，最坚硬的岩抗压强度的量级也只有 102MPa。紧挨装药的土
石受到这种超高压冲击（温度可超过 3000℃），立即被压碎，成为熔融状塑性流态，由此产
生一个强烈变形区，在均匀土石介质中形成滑动面系，其切线与装线中心引出的半径交角成
45°（三向受压状态必然在斜对角线方向出现剪切裂隙）。这个区域内土石被强烈压缩，并朝
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2rL
2r
震动区的范围很大。在这个范围内，离装药中心近的地方，震动强度大；离装药中心远的地 方，震动强度小。
关于爆破震动问题将在第 16 章中讨论。
2.1.3 爆破漏斗的几何要素
当装药量不变，改变最小抵抗线；或最小抵抗线不变，改变装药量，可以形成不同几何
要素的爆破漏斗，包括松动漏斗和抛掷漏斗。爆破漏斗的主要几何要素见图（2-1-6）。
爆破的破坏过程是在极短时间内炸药能量的释放、传递和作功的过程。在这个过程中， 荷载与介质相互作用。通过反复的爆破实践和大量的试验研究，对爆破的破坏过程的认识亦 不断深入。但是，由于问题复杂性，爆破机理仍然是需要进一步研究的重要课题。
2.2.1 空腔和压碎区的形成
2.2.1.1 破坏机理
球形装药在岩土等无限固体介质中爆炸后，瞬间爆炸气体压力的量级可达 104~105MPa，
Vu(m3/kg) W
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
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图 2-1-2 装药上方形成的爆破漏斗
图 2-1-3 Vu 与Δ之关系
当形成爆破漏斗的锥顶角较小时，漏斗内破碎的岩石只发生隆起，没有大量岩石的抛掷 现象。发生这种作用的装药称为松动装药，其形成的爆破漏斗称为破碎漏斗或松动漏斗（图 2-1-4）。只形成松动漏斗的爆破称为松动爆破。
和压碎区，可以开设药壶药洞、构筑压缩爆破工事、构筑建筑物的爆扩桩基础以及埋设电杆
的基坑等；利用破坏区，可以松散岩石、硬土和冻土，在石井中爆破扩大涌水量等；利用震
动区，可以勘查地层结构、监测预报爆破震动对周围环境的影响程度等。
2.1.2 装药在半无限介质中爆炸的破坏现象 如果 W＜WC，此种情况视为装药在半无限介质中爆炸。装药爆炸后，除在装药下方固 体介质内形成压碎区、裂隙区和震动区外（假定介质自由表面在装药上方且为水平的），装药 上方一部分岩石将被破碎，脱离原介质，形成爆破漏斗（见图 2-1-2）。单位质量（1kg）炸药 爆破形成的漏斗体积 Vu 与装药的埋置深度系数Δ有关（Δ=W/WC）。当Δ=1 即 W=WC 时， Vu=0；在这种情况下，爆破作用只限于岩体内部，不能到达自由表面。当 Δ＜1 时，形成爆 破漏斗，其锥顶角和体积随Δ减小而不断增大。当Δ值减小到一定值时，Vu 达最大，这时
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本章主要介绍工程爆破的基本理论，且侧重于岩土爆破理论。对于结构物爆破，与工程 爆破基本理论有共性的部分可参考本章，其特殊之处将在有关章节中分别给予阐述。
2.1 装药在固体介质中爆炸的破坏现象
2.1.1 装药在无限介质中爆炸的破坏现象
装药中心距固体介质自由表面的最短距离称为最小抵抗线，通过常用 W 来表示。对一定
得：nL=1。
由此可见，对柱状装药的松动爆破来说，标准松动漏斗的体积最大，单位耗药量最小。
将 nL=1 代入（2-1-2）式，得最优抵抗线： W0 = WC = 0.71WC 2
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或装药最优埋置系数为： ∆
W = 0 = 0.71
0W
C
上述内容仅说明了装药爆炸时，由于其内部或外部作用，在岩体内及其表面上所造成的结
0.75＜n＜1 的抛掷漏斗称为减弱抛掷漏斗，形成减弱抛掷漏斗的装药称为减弱抛掷装药。
n＜0.75 时，实际上不再能形成抛掷漏斗，在自由面上只能看到岩石的松动和突起。因此，
n＜0.75 的装药称为松动装药。
按照类似的定义，将松动漏斗半径与最小抵抗线的比值 nL=rL/W 称为松动爆破作用指数。 nL=1 的松动漏斗称为标准松动漏斗。减弱抛掷时（即 0.75＜n ＜1），松动爆破作用指数 nL ＞1，所以减弱抛掷又称为加强松动。
量的装药来说，若其 W 超过某一临界值 WC，即 W＞WC，则当装药爆炸后，在自由表面上 不会看到爆破的迹象，也就是说装药的破坏作用仅限于固体介质内部，未能到达自由面。此
种情况可视为装药在无限介质中爆炸。
1
大量爆破实践和试验表明，当装药
在无限介质中爆炸时，除装药近处形成
2
扩大的空腔（亦即压缩区，在土介质和
（1）、抛掷作用半径 R 和松动作用半径 RL；抛掷漏斗半径 r 和松动漏斗半径 rL。 （2）、抛掷爆破作用指数和松动爆破作用指数。抛掷漏斗半径与最小抵抗线的比值 n=r/W
称为抛掷爆破作用指数。
n=1 的抛掷漏斗称为标准抛掷漏斗，形成标准抛掷漏斗的装药称为标准抛掷装药。
n＞1 的抛掷漏斗称为加强抛掷漏斗，形成加强抛掷漏斗的装药称为加强抛掷装药。
着离开装药的方向运动，并产生冲击波。
在冲击波作用下，介质结构遭到严重破坏，装药附近的岩土或被挤压、或被击碎成细微
颗粒，形成空腔和压碎区。
2.2.1.2 空腔半径和压碎区范围计算
（1）、土壤
装药在土中爆炸时，形成空腔的过程是爆炸气体克服土的阻力扩胀体积的过程，可分为
两个阶段：第一阶段是爆炸气体由初始压力 P0、初始体积 V0 在高压状态下扩胀至 P1、V1； 第二阶段是爆炸气体由 P1、V1 在绝热状态下继续扩胀至最终压力 P2、最终体积 V2。以上过 程可用下式表示：
m
n
a M
P
W N
图 2-1-4 松动漏斗
A
MAN—松动漏斗；MmA—松动锥；mAn—抛掷漏斗； man—可见漏斗； w—最小抵抗线；P—可见深度
图 2-1-5 抛掷漏斗
在工程中，利用爆破漏斗或抛掷作用，可以松动岩土、开挖坑、壕或一定形状尺寸的掩 体工事、构筑道路或堆积石坝等。
在压碎区、裂隙区及漏斗形成过程中，冲击波（应力波）的强度已经大大减弱，在破裂 区以外已不能再使介质破裂，只能引起介质质点的弹性震动，质点的震动范围即是震动区。