楊仁樹(shù)，丁晨曦，楊立云，張永新，李煒煜

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) a.力學(xué)與建筑工程學(xué)院；b.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100083)

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動(dòng)態(tài)爆生裂紋相互影響的試驗(yàn)研究*

楊仁樹(shù)a,b，丁晨曦a，楊立云a，張永新a，李煒煜a

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) a.力學(xué)與建筑工程學(xué)院；b.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100083)

摘要:采用以有機(jī)玻璃(PMMA)為材料的模型試驗(yàn)方法，分析了試件的破壞形態(tài)和裂紋尖端的應(yīng)力特征，研究了對(duì)向切槽炮孔的不同豎向間距對(duì)爆生裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明:爆生裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋速度震蕩減小，裂紋尖端應(yīng)力變化經(jīng)歷兩個(gè)階段，Ⅰ階段(0～110 μs)裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子迅速減小，試件破壞以拉伸破壞為主；Ⅱ階段(110 μs～止裂)裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子先增大后減小，試件破壞兼有拉伸破壞和剪切破壞。炮孔的豎向間距的不同對(duì)爆生裂紋Ⅰ階段擴(kuò)展影響不大，對(duì)Ⅱ階段擴(kuò)展影響顯著。對(duì)向裂紋起到自由面作用并引導(dǎo)己方裂紋向其發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從對(duì)向裂紋面處反射的應(yīng)力波加強(qiáng)了己方裂紋尖端的應(yīng)力集中。

關(guān)鍵詞:爆生裂紋；動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子；拉伸破壞；剪切破壞；應(yīng)力波

巖石在爆炸作用下，以爆源為中心，爆炸影響區(qū)域由內(nèi)往外分為破碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動(dòng)區(qū)，其中裂隙區(qū)的裂紋擴(kuò)展一直是爆炸力學(xué)、斷裂力學(xué)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域重點(diǎn)研究的問(wèn)題。近年來(lái)，很多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。試驗(yàn)研究方面，胡榮等研究了爆炸動(dòng)載荷作用下介質(zhì)內(nèi)裂紋的起裂及擴(kuò)展規(guī)律[1]；楊鑫等研究了人工裂隙對(duì)爆炸裂紋擴(kuò)展的影響[2]；楊仁樹(shù)等采用切縫藥包的定向斷裂控制爆破方法，比較了爆生主裂紋和次裂紋在能量釋放率上的差異[3]；李清等應(yīng)用焦散線試驗(yàn)方法，分析了爆炸應(yīng)力波作用下分支裂紋動(dòng)態(tài)力學(xué)特性[4]。數(shù)值模擬方面，王偉等對(duì)爆炸沖擊波荷載下巖石I型微裂紋動(dòng)態(tài)起始擴(kuò)展和爆生氣體的動(dòng)態(tài)作用效果進(jìn)行數(shù)值研究[5]；謝冰等通過(guò)PFC2D軟件模擬了預(yù)裂爆破作用下裂紋的擴(kuò)展情況[6]；王建國(guó)等利用LS-DYNA軟件對(duì)不同爆破參數(shù)條件下的預(yù)裂縫形成過(guò)程進(jìn)行模擬[7]。理論分析方面，任利等以復(fù)合型裂紋為研究對(duì)象,對(duì)裂紋尖端的塑性區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行了理論計(jì)算[8]；蔣玉川等建立脆性材料復(fù)合型裂紋的斷裂準(zhǔn)則,對(duì)裂紋起裂角及臨界荷載進(jìn)行預(yù)測(cè)[9]。

切槽爆破、切縫藥包爆破等定向斷裂控制爆破方法是巷道掘進(jìn)、隧道開(kāi)挖等常用的爆破施工方法[10,11]。施工過(guò)程中，由于多個(gè)裝藥炮孔同時(shí)起爆，一定巖體區(qū)域范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多條爆生裂紋同時(shí)擴(kuò)展的情況，而對(duì)于這種爆炸作用下的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展裂紋之間的相互影響卻鮮有研究。基于此，以PMMA為模型材料，采用試驗(yàn)室模型試驗(yàn)的方法，初步研究爆炸作用下動(dòng)態(tài)擴(kuò)展裂紋之間的相互影響規(guī)律，為相關(guān)工程實(shí)踐提供一定的理論參考。

1爆炸模型試驗(yàn)

1.1試件參數(shù)

試驗(yàn)采用敏度較高的疊氮化鉛作為起爆藥，每個(gè)炮孔裝藥量為120 mg。疊氮化鉛的相關(guān)性能參數(shù)為：爆熔308 L/kg，爆熱1524 kJ/kg，爆溫3050℃，爆速4478 m/s。

1.2試驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備

圖2為本試驗(yàn)采用的新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線試驗(yàn)系統(tǒng)[12]，高速相機(jī)能夠?qū)⒈ㄆ茐牡恼麄€(gè)過(guò)程全部記錄，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程的數(shù)字化采集。圖3所示為本試驗(yàn)使用的起爆裝置MD-2000多通道脈沖點(diǎn)火器，通過(guò)高壓放電完成對(duì)炸藥的起爆，該裝置共有6個(gè)起爆通道，本試驗(yàn)采用其中的1、2通道。

1.3試驗(yàn)操作

在炮孔1和炮孔2中分別插入金屬探針，探針另一端分別用屏蔽線接入點(diǎn)火器的1、2通道，延時(shí)設(shè)置為0，即設(shè)置兩炮孔同時(shí)起爆。將試件固定在圖2所示的加載架上，開(kāi)啟激光器和高速相機(jī)，打開(kāi)脈沖點(diǎn)火器電源開(kāi)關(guān)，激活1、2通道。觸發(fā)起爆開(kāi)關(guān)，金屬探針尖端高壓放電起爆，同時(shí)高速相機(jī)通過(guò)后觸發(fā)完成對(duì)爆炸過(guò)程的拍攝記錄。將相機(jī)的記錄信息導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中并保存。

2破壞形態(tài)與過(guò)程

2.1破壞形態(tài)

圖4所示為試件S1、S2的破壞形態(tài)。在爆炸荷載下，試件S1的兩側(cè)炮孔處分別形成裂紋A、B，裂紋沿炮孔切槽方向擴(kuò)展，總體較為平直，定向斷裂效果明顯，在試件中央局部有勾連但并未相互貫穿，裂紋A、B形態(tài)相似。試件S2的兩側(cè)炮孔處分別形成裂紋C、D，兩條裂紋在前期基本沿著切槽方向擴(kuò)展，后期向著對(duì)方裂紋發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，裂紋C、D形態(tài)相似。兩個(gè)試件炮孔周邊均出現(xiàn)較為密集的微裂紋和數(shù)條較短的爆生次裂紋。

2.2破壞過(guò)程

圖5所示為試件S1、S2爆生裂紋擴(kuò)展過(guò)程的動(dòng)態(tài)焦散照片。由于炮孔堵塞裝置對(duì)爆炸近區(qū)的遮掩，高速相機(jī)拍攝的焦散照片中并未記錄爆生裂紋起裂和最初擴(kuò)展階段的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)裂紋擴(kuò)展離開(kāi)遮掩區(qū)域進(jìn)入高速相機(jī)的視場(chǎng)之后，所有裂紋擴(kuò)展信息都能準(zhǔn)確獲得。

對(duì)于試件S1，炸藥起爆產(chǎn)生爆轟波，隨后在試件中衰減為應(yīng)力波，應(yīng)力波的圓形波陣面以炮孔(爆源)為中心向四周擴(kuò)散傳播，20 μs時(shí)，應(yīng)力波波陣面相遇。在切槽的導(dǎo)向作用下，裂紋起裂并擴(kuò)展，分別形成裂紋A、B，從裂紋起裂至110 μs，裂紋沿切槽對(duì)向擴(kuò)展，基本水平，裂紋尖端焦散斑形狀為Ⅰ型，說(shuō)明在這一過(guò)程中試件S1的主要破壞形式為拉伸破壞。110 μs后，兩條裂紋逐漸靠近，受到對(duì)向裂紋的影響，裂紋擴(kuò)展稍偏離原方向；160 μs時(shí)，兩裂紋并未直接相遇貫穿，而是彼此繞行；至180 μs，兩裂紋尖端相互錯(cuò)開(kāi)并向?qū)Ψ搅鸭y偏移擴(kuò)展；230 μs左右，裂紋相互勾連并止裂。在此階段，裂紋尖端焦散斑呈現(xiàn)不規(guī)則的復(fù)合形態(tài)，說(shuō)明這一過(guò)程中試件S1的破壞形式兼有拉伸破壞和剪切破壞。裂紋A、B在擴(kuò)展行為上整體保持較高的一致性。

類似的，對(duì)于試件S2，在起爆后的30 μs，應(yīng)力波的波陣面相遇，從圖中可以看出應(yīng)力波相互干涉的明顯傾斜界面，隨后應(yīng)力波相互遠(yuǎn)離，在試件中沿原方向繼續(xù)傳播。從裂紋C、D起裂至110 μs，裂紋基本沿著切槽方向擴(kuò)展，110 μs后，裂紋擴(kuò)展明顯偏離原方向，向著對(duì)方裂紋擴(kuò)展。180 μs時(shí)，裂紋C、D擴(kuò)展至同一豎向位置，兩裂紋的水平位移和豎直位移基本相等。此后，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，偏轉(zhuǎn)程度愈見(jiàn)明顯。240 μs，兩裂紋基本同時(shí)止裂。隨著裂紋擴(kuò)展的明顯偏轉(zhuǎn)，裂紋尖端焦散斑由Ⅰ型形態(tài)向復(fù)合型形態(tài)過(guò)渡，試件S2由以拉伸破壞為主的單一破壞形式發(fā)展為兼有拉伸破壞和剪切破壞的復(fù)合型破壞形式。裂紋C、D在擴(kuò)展行為上整體保持較高的一致性。

3裂紋擴(kuò)展分析

3.1裂紋擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)分析

從上述分析中得知試件S1的裂紋A、B和試件S2的裂紋C、D在擴(kuò)展行為上均分別具有較高的一致性，取試件S1的裂紋A和試件S2的裂紋C進(jìn)一步進(jìn)行分析。

圖6所示為裂紋A、C偏轉(zhuǎn)傾角與水平位移的關(guān)系曲線，可以看出，在裂紋擴(kuò)展的前期，裂紋沿水平方向擴(kuò)展，沒(méi)有發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。隨著裂紋擴(kuò)展水平位移的增加，同一試件上的兩條裂紋逐漸逼近。結(jié)合圖4，裂紋A在繞過(guò)裂紋B的過(guò)程中，發(fā)生短暫的偏轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角度為21°，隨后擴(kuò)展趨于水平。隨著水平位移的增加，裂紋C發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，并且偏轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，直至止裂，最大偏轉(zhuǎn)角度為35°?？梢?jiàn)，裂紋C在擴(kuò)展過(guò)程中的偏轉(zhuǎn)程度要明顯大于裂紋A的。

圖7所示為裂紋擴(kuò)展速度與時(shí)間的關(guān)系，在裂紋擴(kuò)展的這個(gè)過(guò)程中，速度始終震蕩變化，裂紋擴(kuò)展克服阻力，能量消耗，速度趨于減小。擴(kuò)展初期的速度為整個(gè)過(guò)程中的最大值，其中裂紋A的最大速度為402 m/s，裂紋B的最大速度為384 m/s。

3.2裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力分析

4結(jié)論

爆破模型試驗(yàn)中，炮孔豎向間距L的不同，對(duì)Ⅰ階段(0～110 μs)裂紋擴(kuò)展不產(chǎn)生明顯影響，而對(duì)Ⅱ階段(110 μs～止裂)裂紋擴(kuò)展有明顯影響。當(dāng)試件兩側(cè)炮孔豎向間距L=0時(shí)，裂紋擴(kuò)展整體平直，末端稍有勾連；當(dāng)試件兩側(cè)炮孔豎向間距L=30 mm時(shí)，Ⅰ階段裂紋擴(kuò)展平直，Ⅱ階段裂紋擴(kuò)展發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。Ⅰ階段試件破壞以拉伸破壞為主；Ⅱ階段試件破壞兼有拉伸破壞和剪切破壞。

試驗(yàn)過(guò)程中，由于裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的能量損耗，裂紋擴(kuò)展速度震蕩減小。同一試件上的兩條對(duì)向裂紋互相起到自由面的作用，使裂紋發(fā)生不同程度偏轉(zhuǎn)。從對(duì)向裂紋面處發(fā)射回來(lái)的應(yīng)力波加強(qiáng)了己方裂紋尖端的應(yīng)力集中。兩條對(duì)向裂紋相對(duì)位置關(guān)系的不同，造成了反射應(yīng)力波對(duì)裂紋尖端應(yīng)力集中加強(qiáng)程度的不同。

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Experimental Study on Interaction Effect of Dynamic Cracks Induced by Blast

YANGRen-shua,b,DINGChen-xia,YANGLi-yuna,ZHANGYong-xina,LIWei-yua

(a.School of Mechanics and Civil Engineering；b.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China)

Abstract:The model test with PMMA material was applied to analyze the failure modes of specimens and stress characteristics of crack tips,and further the effects of vertical intervals were studied between the two notched boreholes on blast crack propagation.The results show that the crack velocity got reduced and oscillated during propagation of blast crack.Stress change of crack tip experienced two stages,namely the dynamic stress intensity factor of crack tip decreased rapidly in the first stage(0～110 μs),where the main failure mode of specimens was tensile failure;while which increased firstly and then decreased in the second stage(110 μs～crack arrest),with failure modes of tensile and shear failures.Vertical intervals between the two notched boreholes made little effects on propagation of blast crack in the first stage but had significant effects in the second stage.The opposite dynamic crack played a role of free face and made own crack direction,and the stress wave reflected from the opposite crack surface enhanced the stress concentration.

Key words:blast induced crack; dynamic stress intensity factor; tensile failure; shear failure; stress wave

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.001

收稿日期:2016-01-05

作者簡(jiǎn)介:楊仁樹(shù)(1963-)，男，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程、爆破工程等方面的教學(xué)與科研工作，(E-mail)dingcx91@sina.com。 通訊作者:丁晨曦(1991-)，男，博士研究生，主要從事巖土工程、爆破工程的研究，(E-mail)1193397174@qq.com。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金-煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51134025)；深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主重點(diǎn)課題(GDUEZB201401)

中圖分類號(hào):TD235.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-487X(2016)02-0001-05