楊仁樹, 左進(jìn)京, 方士正, 陳帥志, 王 煦

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083; 2. 深部巖土力學(xué)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

在爆破工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)利用空孔的某些特性提升施工效果。如，在巖巷快速掘進(jìn)掏槽孔的布置中，利用空孔為掏槽孔提供自由面[1-2]；在周邊孔的定向斷裂過程中，利用“空孔效應(yīng)”[3]為爆生主裂紋提供導(dǎo)向作用?？湛字車鷳?yīng)力場在爆炸應(yīng)力波作用下發(fā)生變化，將導(dǎo)致空孔周圍裂紋的擴(kuò)展。

Yang等[4]采用夾雜理論分析了圓形夾雜體與I型運(yùn)動(dòng)裂紋之間的關(guān)系。Rubinstein[5]研究了細(xì)微缺陷體與宏觀運(yùn)動(dòng)裂紋之間的作用關(guān)系。肖同社等[6]利用動(dòng)焦散實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了運(yùn)動(dòng)裂紋穿過節(jié)理面時(shí)裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化情況，為含節(jié)理巖體的爆破工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。李英杰等[7]采用電測法，對含圓孔粉砂巖試件進(jìn)行雙向不等壓加載，得到了試件表面應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，同時(shí)分析了不等壓條件下剪切裂紋的產(chǎn)生機(jī)理。姚學(xué)鋒等[8]采用動(dòng)態(tài)焦散線與高速攝影技術(shù)相結(jié)合的方法，研究了在應(yīng)力波作用過程中，空孔周圍應(yīng)力場瞬時(shí)分布的變化過程，為爆炸應(yīng)力波在空孔周圍作用機(jī)理提供了新的研究方法。岳中文等[9-10]利用爆炸加載動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用PMMA(Polymethyl Methacrylate)材料進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，研究了爆炸荷載作用下空孔周圍主應(yīng)力差的變化過程，以及不同形狀空孔周圍應(yīng)力場對定向爆破裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律。勵(lì)爭等[11]采用焦散線方法對混合材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)裂紋尖端焦散斑得出了裂紋的擴(kuò)展速度和材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌性。李清等[12-13]研究了爆炸荷載作用下多條裂紋相互作用的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展規(guī)律，結(jié)果表明預(yù)制裂紋能夠減弱爆生主裂紋的擴(kuò)展行為。楊鑫等[14]研究了裂紋與炮孔相對位置變化時(shí)的裂紋擴(kuò)展情況，得到了爆生裂紋隨預(yù)制裂紋角度變化而變化的模型機(jī)制。楊仁樹等[15-16]利用動(dòng)態(tài)加載焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同角度預(yù)制裂紋對運(yùn)動(dòng)裂紋擴(kuò)展行為的影響規(guī)律，同時(shí)對缺陷體與Ⅰ型運(yùn)動(dòng)裂紋相互作用規(guī)律進(jìn)行研究。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對空孔的導(dǎo)向作用進(jìn)行了大量的研究，但關(guān)于空孔缺陷對裂紋擴(kuò)展行為影響規(guī)律的研究較少。本文采用爆炸加載動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究爆炸荷載作用下空孔缺陷對裂紋擴(kuò)展行為的影響，并分析在炮孔與預(yù)制裂紋間距一定時(shí)，空孔尺寸改變對裂紋擴(kuò)展行為的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)測試原理

1.1 動(dòng)焦散實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)

數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由高速攝影儀、場鏡、試件、激光光源等組成。實(shí)驗(yàn)前預(yù)熱激光光源，調(diào)整高速攝影儀位置，得到明亮清晰的光場。該系統(tǒng)操作簡便，目前主要用于沖擊、爆破等動(dòng)態(tài)加載條件下裂紋擴(kuò)展行為的光測力學(xué)分析，透射式焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路示意圖，如圖1所示。

圖1 透射式焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路示意圖Fig.1 The light path of transmissive caustics experimental system

1.2 裂紋擴(kuò)展位移與擴(kuò)展速度的確定

根據(jù)高速相機(jī)記錄的焦散斑系列照片，量取每幅圖片中焦散斑的位移值，根據(jù)圖片的比例將每幅圖中焦散斑位移值換算為實(shí)際值，進(jìn)而求出相鄰兩幅圖片的實(shí)際位移差，規(guī)定裂紋起裂處為位移0點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際位移差可得出位移-時(shí)間曲線。由相鄰圖片的位移差和時(shí)間間隔，可求出焦散斑在相鄰兩幅圖中的平均速度值。

1.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的確定

(1)

2 實(shí)驗(yàn)描述

試件材料采用有機(jī)玻璃板(PMMA)，尺寸為400 mm×300 mm×6 mm，其基本力學(xué)參數(shù)如表1所示。為了對比分析空孔缺陷對裂紋擴(kuò)展的影響，首先設(shè)計(jì)沒有空孔缺陷時(shí)，爆炸載荷對預(yù)制裂紋擴(kuò)展的影響，如圖2(a)所示；然后設(shè)計(jì)有空孔缺陷時(shí)其對裂紋擴(kuò)展的影響，如圖2(b)所示。炮孔直徑為6 mm，單孔裝藥為130 mg的疊氮化鉛，采用多通道脈沖點(diǎn)火器(MD-200)以高壓放電的形式起爆。預(yù)制裂紋左端與炮孔圓心距離L為75 mm，預(yù)制裂紋長度L2為4 mm，采用激光進(jìn)行切割，激光線度為0.3 mm。設(shè)置3種空孔直徑R，分別為10 mm，20 mm，30 mm?？湛鬃髠?cè)與炮孔圓心距離L1=L-R。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種方案平行做3個(gè)試件。

圖2 模型尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagiam of model processing

參數(shù)剪切波波速Cs(m·s-1)縱波波速Cp/(m·s-1)泊松比Vd彈性模量Ed(GN·m-2)光學(xué)常數(shù)Ct(μm2·N-1)數(shù)值1 2602 3200.316.185

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，將爆生主裂紋記為crack-1，次生裂紋記為crack-2，統(tǒng)計(jì)所有試件次生裂紋擴(kuò)展長度，結(jié)果如表2所示。從表2可知，沒有空孔時(shí)，預(yù)制裂紋右端未產(chǎn)生次生裂紋，爆生主裂紋分布雜亂。存在空孔時(shí)，爆生主裂紋crack-1都與空孔貫通，空孔右側(cè)預(yù)制裂紋起裂并擴(kuò)展。說明空孔對爆生裂紋擴(kuò)展方向有明顯的導(dǎo)向作用?？湛字睆綖?0 mm時(shí)次生裂紋crcak-2為19 mm；空孔直徑為20 mm時(shí)次生裂紋crcak-2為38 mm；空孔直徑為30 mm時(shí)次生裂紋crcak-2為21 mm，當(dāng)空孔直徑為20 mm時(shí)次生裂紋擴(kuò)展距離最長，說明裂紋擴(kuò)展所消耗能量最大，也說明此種方案下空孔周圍應(yīng)力集中最明顯。同時(shí)可以看出次生裂紋擴(kuò)展距離隨空孔直徑的增大，有先增大后減小的趨勢，說明存在一個(gè)最優(yōu)的空孔直徑使得次生裂紋擴(kuò)展距離最長，且此時(shí)空孔缺陷對裂紋擴(kuò)展影響最大。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.3 Final test results of dynamic and static crack interaction

R/mmL/mmL1/mmL2/mmcrack-1/mmcrack-2/mm①②③平均0754107565464192118192075554553641383830754544524211821

4 裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)分析

圖4為裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)過程系列圖片，從圖4(a)可知，在第40 μs時(shí)，預(yù)制裂紋在爆炸應(yīng)力波作用下兩端開始出現(xiàn)焦散斑，但沒有使裂紋發(fā)生起裂。從圖4(b)～圖4(d)可知，在爆生裂紋沒有與空孔貫通之前，預(yù)制裂紋尖端就出現(xiàn)焦散斑，等爆生裂紋與空孔貫通之后，預(yù)制裂紋才開始起裂。在爆生裂紋與空孔貫通之前，空孔左側(cè)出現(xiàn)陰影區(qū)域，在一定程度上也反映了空孔周圍局部的應(yīng)力集中程度。

4.1 裂紋擴(kuò)展速度分析

圖5為裂紋擴(kuò)展速度隨裂紋長度變化曲線。由圖5可知，整個(gè)過程分為兩個(gè)階段。①爆生主裂紋擴(kuò)展過程；②次生裂紋擴(kuò)展過程為第二階段?？湛讓咏湛字車倪\(yùn)動(dòng)裂紋擴(kuò)展速度有較大影響。3種試件中，爆生主裂紋在接近空孔時(shí)速度均會(huì)突然增大，這是因?yàn)樵诒☉?yīng)力波作用下，空孔周圍應(yīng)力場對空孔區(qū)域產(chǎn)生擾動(dòng)，裂紋尖端擴(kuò)展至擾動(dòng)范圍時(shí)，空孔周圍擾動(dòng)應(yīng)力場加速爆生裂紋的擴(kuò)展。說明在爆炸荷載作用下，空孔周圍應(yīng)力場能夠加速運(yùn)動(dòng)裂紋的擴(kuò)展。在階段“②”，次生裂紋擴(kuò)展速度與爆生主裂紋擴(kuò)展速度相比有明顯的不同。次生裂紋擴(kuò)展速度小于爆生主裂紋擴(kuò)展速度，次生裂紋在擴(kuò)展初始階段速度最大，這與空孔應(yīng)力集中作用有關(guān)，當(dāng)應(yīng)力滿足裂紋起裂時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展，能量突然釋放，使得裂紋開始階段速度最大?？湛字睆綖?0 mm時(shí)，次生裂紋crack-2的最大速度為245 m/s；空孔直徑為20 mm時(shí)，次生裂紋crack-2的最大速度為388 m/s；空孔直徑為30 mm時(shí)，次生裂紋crack-2的最大速度為271 m/s。速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，說明空孔直徑在10～30 mm時(shí)，有一個(gè)最優(yōu)的直徑，使次生裂紋crack-2的裂紋擴(kuò)展速度最大。

4.2 裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子

圖4 裂紋擴(kuò)展的焦散斑照片F(xiàn)ig.4 Digital speckle photos crack propagation

圖5 裂紋擴(kuò)展速度-裂紋長度關(guān)系曲線Fig.5 Curves of crack growth velocity vs crack length

圖6 動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋長度的變化曲線Fig.6 Variation of dynamic stress intensity factor with crack length

5 結(jié) 論

(1)無空孔缺陷時(shí)，爆炸荷載對預(yù)制裂紋的影響較小，預(yù)制裂紋不能擴(kuò)展；有空孔缺陷時(shí)爆炸荷載對預(yù)制裂紋的影響較大，預(yù)制裂紋起裂并擴(kuò)展。

(2)在爆炸荷載作用下，爆生主裂紋與空孔貫通，擴(kuò)展路徑基本平直，當(dāng)爆生主裂紋朝向空孔擴(kuò)展時(shí)，空孔對裂紋擴(kuò)展有促進(jìn)作用，這種促進(jìn)作用使得爆生主裂紋與空孔貫通時(shí)的速度和應(yīng)力強(qiáng)度因子值發(fā)生突躍。

(3)次生裂紋擴(kuò)展速度和裂尖動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子值都小于爆生主裂紋相應(yīng)值，且次生裂紋擴(kuò)展初始階段速度最大，次生裂紋的起裂韌度在0.8～1.1 MN/m3/2，比爆生主裂紋起裂韌度低，說明爆炸荷載下裂紋起裂時(shí)能量釋放率大于空孔應(yīng)力集中區(qū)裂紋的釋放率。

(4)隨著空孔直徑的增大，次生裂紋擴(kuò)展距離先增大后減小，說明存在一個(gè)最優(yōu)的空孔尺寸，使應(yīng)力集中區(qū)次生裂紋擴(kuò)展長度最大，對裂紋擴(kuò)展的促進(jìn)作用最為顯著。

參 考 文 獻(xiàn)

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