周 磊， 朱哲明， 應(yīng) 鵬， 王 雄， 王 蒙

(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，深地科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

巷道在鉆爆法開挖過程中，圍巖受到爆炸載荷作用產(chǎn)生新的裂紋或者誘發(fā)天然裂紋的發(fā)育，裂紋缺陷的存在極大地影響著巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在煤礦開采的過程中，沖擊載荷是巷道典型的動(dòng)力災(zāi)害之一，掘進(jìn)爆破、頂板破裂、工作面來壓等都可能帶來瞬時(shí)沖擊作用，在沖擊載荷作用下，可能導(dǎo)致巖體的局部失穩(wěn)，以突然、急劇猛烈的形式釋放彈塑性變形能，導(dǎo)致巖體的瞬時(shí)嚴(yán)重破壞，并伴隨大量煤巖粉突出。這種動(dòng)力災(zāi)害在煤炭開采中較為普遍，一般都會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果[1]。因此煤礦巷道動(dòng)力災(zāi)害研究一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)之一。

Everitt等[2-4]探究了地下空間結(jié)構(gòu)、煤礦開采巷道損傷區(qū)域的形成機(jī)制和范圍。劉永勝等[5]研究了爆破作用下隧道含裂隙圍巖的開裂機(jī)理和破裂范圍，并定量分析了爆破作用對(duì)隧道松動(dòng)圈形成過程的影響。潘一山等[6]利用爆炸加載相似模擬試驗(yàn)和數(shù)字散斑觀測(cè)方法(DSCM)研究了高速?zèng)_擊載荷作用下巷道的動(dòng)態(tài)破壞過程?？椎律萚7-8]利用 LS-DYNA 動(dòng)力分析軟件，采用流固耦合算法數(shù)值模擬了爆炸荷載作用下地鐵隧道的沖擊反應(yīng)。

對(duì)于含裂隙缺陷的巖體，裂紋的動(dòng)態(tài)斷裂韌度是確定裂紋對(duì)巖土體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。眾多的國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖石等脆性材料的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)斷裂韌度進(jìn)行了較多的研究。Zhu等[9-11]采用物理模型試驗(yàn)研究了含裂紋巷道與無裂紋隧道的穩(wěn)定性具有較大的差異，并指出裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子是巷道整體強(qiáng)度評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。Wang 等[12-14]采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)對(duì)大尺寸壓縮單裂紋圓孔板試樣結(jié)合應(yīng)變片進(jìn)行了I/II復(fù)合型裂紋動(dòng)態(tài)斷裂韌度的測(cè)試，指出試驗(yàn)-數(shù)值法對(duì)于裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展韌度的計(jì)算具有較好的可行性。Zhang等[15-16]采用SHPB裝置結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)方法測(cè)試了三點(diǎn)彎曲巴西半圓盤試樣的動(dòng)態(tài)斷裂韌度，指出數(shù)字圖像相關(guān)法目前在巖石類脆性材料方面僅局限于準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)研究。Wang等[17-19]采用應(yīng)變片測(cè)試了側(cè)開單裂紋半孔板試樣的動(dòng)態(tài)斷裂韌度，并對(duì)I型及I/II復(fù)合型裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行了數(shù)值分析。

對(duì)于巖石材料的動(dòng)態(tài)斷裂行為研究，主要分為數(shù)值分析和試驗(yàn)手段，而把兩種方法相結(jié)合處理是一種較為合理以及較多的研究方式。在數(shù)值模擬方面，AUTODYN為一款基于動(dòng)態(tài)有限差分法的數(shù)值分析軟件，該軟件能夠分析巖石類幾何非線性和材料非線性的動(dòng)力學(xué)斷裂問題，已經(jīng)被眾多的國內(nèi)外研究學(xué)者應(yīng)用于脆性材料在爆炸和沖擊荷載下的課題研究[20-22]。對(duì)于ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行裂紋動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算，解德[23]采用ABAQUS數(shù)值計(jì)算了無限大板中心裂紋的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程曲線，并與有限差分法的解析解進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的有效性。相對(duì)于試驗(yàn)手段而言，隨著霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置的發(fā)展與進(jìn)步，大直徑分離式SHPB裝置可方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)巖石類等非均質(zhì)脆性材料試樣高速加載，并且已經(jīng)在各個(gè)研究領(lǐng)域都有較為成熟的研究，越來越多的研究學(xué)者采用該試驗(yàn)裝置進(jìn)行脆性材料的動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)的研究，但SHPB試驗(yàn)裝置桿件直徑相對(duì)于巷道模型試樣尺寸較小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理較為繁瑣等問題還是一直存在[24]。

目前對(duì)于巷道內(nèi)裂紋在沖擊載荷作用下的研究尚處于初步階段，特別是巷道內(nèi)I/II復(fù)合型裂紋在沖擊載荷作用下動(dòng)態(tài)斷裂問題的研究寥寥無幾。本文基于SHPB試驗(yàn)裝置原理以及斷裂力學(xué)和沖擊動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，以可調(diào)速落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)作為沖擊加載裝置進(jìn)行裂紋巷道模型試樣的動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)，采用應(yīng)變片對(duì)裂紋的起裂時(shí)間及擴(kuò)展時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并借助于ABAQUS和AUTODYN軟件數(shù)值分析巷道圍巖內(nèi)裂紋的擴(kuò)展特性，對(duì)巷道內(nèi)裂紋的起裂韌度等斷裂參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，為巷道工程理論實(shí)踐提供一定的理論指導(dǎo)意義。

1 巷道模型制作及試驗(yàn)方法

1.1 模型試樣及材料的選擇

假設(shè)某煤礦開采巷道的高度為6 m，寬度為5 m，圓拱半徑為2.5 m，以此實(shí)際工程巷道尺寸按100∶1的比例進(jìn)行縮小設(shè)置，巷道高度h=60 mm，寬度w=50 mm，圓拱半徑r=50 mm。巷道模型試樣大小為350 mm×300 mm×30 mm，底板高度L=90 mm，如圖1(a)所示。巷道模型尺寸經(jīng)過準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的論證，能夠充分地表觀巷道模型在靜態(tài)載荷作用下的斷裂行為[25-26]，這也是本文選擇此巷道模型尺寸的重要依據(jù)之一。在巷道鉆爆法掘進(jìn)過程中，拱頂圓弧圍巖區(qū)域會(huì)產(chǎn)生各種徑向裂紋，為了讓本文研究更接近于實(shí)際工程概況，因此將單裂紋設(shè)置于拱頂圓弧區(qū)域，裂紋長度l=50 mm，與拱頂圓心的距離比為α=d/r，α=0～1。

巷道模型試樣材料選用隆昌青砂巖，該砂巖材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)參數(shù)泊松比νd=0.21，彈性模量Ed=12.5 GPa，密度為ρ=2 265 kg/m3，縱波波速cd=2 492.46 m/s，橫波波速cs=1 510.12 m/s，瑞雷波波速cR=1 378.3 m/s。裂紋采用0.5 mm厚的拉花鋸條進(jìn)行加工處理，隨后裂紋尖端采用0.1 mm厚的美工刀片進(jìn)行銳化處理，使得裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為精確，如圖1(b)所示。巷道內(nèi)裂紋與拱頂圓心的距離比α以0.25為梯度增量制作5組模型試樣，α分別為0、0.25、0.5、0.75、1。為了避免動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的偶然誤差等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選擇每組制作5個(gè)巷道模型試樣，總共制作25個(gè)試樣。

(a) 巷道模型試樣示意圖(b) 巷道模型試樣實(shí)物圖

圖1 巷道模型尺寸示意圖

Fig.1 Sketch map of tunnel model

根據(jù)裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的演化，引入應(yīng)力強(qiáng)度因子KI、KII、KIII概念，大部分研究性課題主要針對(duì)KI、KII對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。為了驗(yàn)證裂紋的距離比α對(duì)巷道內(nèi)裂紋斷裂模式的影響，本文采用ABAQUS進(jìn)行裂紋巷道模型的構(gòu)型驗(yàn)證，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI、KII隨裂紋距離比α的變化如圖2所示。從圖中可以看出，當(dāng)裂紋α=0時(shí)，KII/KI=0，表明KII值很小，該巷道模型試樣預(yù)制裂紋為純I型裂紋。當(dāng)α>0時(shí)，KII/KI先增大后減小，說明當(dāng)裂紋偏移巷道對(duì)稱軸距離越大時(shí)，II型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)巷道的穩(wěn)定性影響先增大后減小，但相對(duì)于α=0時(shí)，KII的相對(duì)影響還是較大。

圖2 預(yù)制裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨距離比α的變化

1.2 動(dòng)態(tài)加載設(shè)備

沖擊加載裝置以自行研制的能實(shí)現(xiàn)中低沖擊加載速度的可調(diào)速落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，沖擊桿件的材料選用 LY12CZ鋁合金，該材料的彈性模量為71.7 GPa，泊松比為0.3，密度為2 850 kg/m3?；谝痪S應(yīng)力波傳播的假設(shè)，彈性入射波在入射桿中以波速c0=5 860.78 m/s，實(shí)測(cè)波速cb=5 936.73 m/s。入射桿長度li=3 000 mm，透射桿長度lt=2 000 mm，沖擊落錘高度300 mm。入射桿上貼有3張應(yīng)變片，入射桿上的應(yīng)變片SGi到試樣上端面的距離分別為l1=350 mm，l2=1 500 mm，l3=2 650 mm，透射桿上的應(yīng)變片SGt距離試樣下端面的距離lt=450 mm，沖擊加載裝置工作原理如圖3所示。落錘下落沖擊加載速度由光電測(cè)速裝置進(jìn)行測(cè)量，加載波形為半正弦波，同時(shí)采用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀和應(yīng)變片測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)時(shí)觀測(cè)記錄試樣的動(dòng)力響應(yīng)特征和裂紋擴(kuò)展特性。應(yīng)變信號(hào)由超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行信號(hào)放大后由高頻示波器采集，最后經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行后期處理，得到入射桿與透射桿的應(yīng)力加載波形。

圖3 沖擊加載裝置

為了有效延長加載波形上升沿并且降低波形中包含的高頻振蕩成分，同時(shí)為了減小波形彌散效應(yīng)和慣性效應(yīng)，在落錘與入射端之間粘貼黃銅片作為波形整形器，可以獲得理想的加載波形使試驗(yàn)過程更接近SHPB一維應(yīng)力波假設(shè)[27]。為了避免巷道模型試樣上下端面摩擦效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，在模型試件加載上下端面涂抹少量黃油，并采用木質(zhì)夾具平整的夾持于入射桿與透射桿之間。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在落錘沖擊試驗(yàn)過程中，入射桿和透射桿中的脈沖信號(hào)通常采用貼在桿件上的應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)應(yīng)力脈沖在桿件中傳播時(shí)，應(yīng)變片感應(yīng)脈沖信號(hào)并傳輸至應(yīng)變儀進(jìn)行記錄。由高速示波器采集得到(α=0.5)試樣No.2的入射桿上的入射應(yīng)變和反射應(yīng)變及透射桿上的透射應(yīng)變的典型電壓信號(hào)如圖 4所示。從圖中可以看出，該沖擊試驗(yàn)裝置能夠很好的測(cè)試入射桿與透射桿的應(yīng)變信號(hào)時(shí)程曲線，且與SHPB試驗(yàn)裝置基本一致，表明該試驗(yàn)裝置能夠很好的實(shí)現(xiàn)巖石等脆性材料在中低速?zèng)_擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)[28]。

為了更好監(jiān)測(cè)裂紋的擴(kuò)展路徑，在裂紋的擴(kuò)展路徑中粘貼兩張應(yīng)變片，分別記為SG1和SG2，如圖5所示。當(dāng)裂紋起裂時(shí)導(dǎo)致應(yīng)變片SG1被拉斷，電壓信號(hào)形成突變，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行求導(dǎo)，在導(dǎo)數(shù)的極值時(shí)刻即為應(yīng)變片的斷裂時(shí)刻，也即為裂紋的起裂時(shí)間ti。同理，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至應(yīng)變片SG2時(shí)，SG2被拉斷的擴(kuò)展時(shí)刻tp，就可以得到SG1與SG2的斷裂時(shí)刻分別為ti和tp，從巷道內(nèi)裂紋的起裂時(shí)刻ti和擴(kuò)展時(shí)刻tp進(jìn)一步通過試驗(yàn)-數(shù)值法能夠確定裂紋的起裂韌度等斷裂參數(shù)。

圖4 入射桿與透射桿典型的電壓信號(hào)

圖5 巷道模型試樣上應(yīng)變片的電壓信號(hào)

根據(jù)一維應(yīng)力波理論，入射桿施加在巷道模型試樣上端面的動(dòng)態(tài)載荷Pi(t)可以通過入射波和反射波疊加得到。透射桿施加在巷道模型試樣下端面的動(dòng)態(tài)載荷Pt(t)可以由透射桿上監(jiān)測(cè)到的透射波得到，其計(jì)算公式如下

(1)

式中：Ed為彈性桿件的動(dòng)態(tài)彈性模量；As為巷道模型試樣的加載截面面積；εi，εr分別為入射桿上的入射應(yīng)變時(shí)間歷程和反射應(yīng)變時(shí)間歷程，εt為透射桿上透射應(yīng)變時(shí)間歷程。

由于本文的研究方法為試驗(yàn)-數(shù)值法，已經(jīng)不在準(zhǔn)靜態(tài)法研究的范圍之內(nèi)，因此不用滿足準(zhǔn)靜態(tài)法研究中的應(yīng)力平衡假設(shè)，故選擇巷道模型試樣所受載荷Pi(t)作為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的加載載荷。根據(jù)式(1)進(jìn)行入射波與反射波的疊加，疊加后的載荷波形如圖6所示。以巷道模型試樣入射上端面受到應(yīng)力波加載為起點(diǎn)時(shí)刻to，并設(shè)為隨后所有時(shí)刻為相對(duì)時(shí)刻，由此可以得到(α=0.5)No.2試樣內(nèi)預(yù)制裂紋的相對(duì)起裂時(shí)刻ts=ti-to=466 μs，相對(duì)擴(kuò)展時(shí)刻ta=tp-to=612 μs。圖中Pmax=218.36 kN為巷道模型試樣(α=0.5)No.2的最大荷載值，tpmax=247 μs為最大載荷值所對(duì)應(yīng)的相對(duì)時(shí)刻，同理可得到每組試件的起裂時(shí)間與擴(kuò)展時(shí)間等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)于表1中。

圖6 巷道試樣(α=0.5)No.2入射端和透射端的加載波形

2 動(dòng)態(tài)斷裂參數(shù)測(cè)試

巖石動(dòng)態(tài)斷裂韌度是評(píng)價(jià)巖土體抵抗裂紋動(dòng)態(tài)起裂和擴(kuò)展性能的重要閥值，不僅是巖石斷裂動(dòng)力學(xué)的基本力學(xué)參數(shù)之一，也是巖土體強(qiáng)度質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[29]。本文采用J積分算法計(jì)算巷道模型試樣中裂紋的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，將試驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)態(tài)載荷時(shí)程曲線Pi(t)代入有限元程序ABAQUS中，得到裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程曲線，結(jié)合試驗(yàn)時(shí)記錄的巷道模型試樣起裂時(shí)刻ts便能確定對(duì)應(yīng)試樣的動(dòng)態(tài)起裂韌度，這種方法已經(jīng)被眾多國內(nèi)外研究學(xué)者應(yīng)用于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究。

圖7 本文有限元計(jì)算結(jié)果與Chen和Wilkins[30]計(jì)算結(jié)果對(duì)比

Fig.7 Comparison between the results of finite element ABAQUS code and those of Chen and Wilkins

2.1 普適函數(shù)的應(yīng)用

(2)

關(guān)于動(dòng)態(tài)斷裂的進(jìn)一步研究中，Ravi-Chandar指出，裂紋擴(kuò)展速度v的普適函數(shù)值k(v)可由如下近似公式計(jì)算[32]

(3)

式中：cd為材料的縱波波速；cR為材料的瑞雷波波速。從式(3)中可以看出，k(v)為關(guān)于裂紋擴(kuò)展速度v的減函數(shù)，當(dāng)試樣受到動(dòng)態(tài)載荷但裂紋未起裂時(shí)v=0 m/s，此時(shí)k(v=0)=1。即

(4)

通過此種方法就可以獲取巷道模型試樣裂紋未起裂時(shí)的I型動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程曲線，隨后結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)所測(cè)得裂紋起裂時(shí)間ts，就可以確定I型裂紋的起裂韌度參數(shù)。而對(duì)于巷道模型試樣內(nèi)II型動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程曲線結(jié)合起裂時(shí)間ts獲取裂紋尖端的II型裂紋的起裂韌度參數(shù)。

2.2 動(dòng)態(tài)起裂韌度的確定

從準(zhǔn)靜態(tài)方法與試驗(yàn)-數(shù)值方法對(duì)比可以看出，兩者所測(cè)的動(dòng)態(tài)起裂韌度相對(duì)誤差較大。準(zhǔn)靜態(tài)法認(rèn)為巷道模型試樣在受到最大載荷Pmax時(shí)刻tpmax作為預(yù)制裂紋的起裂時(shí)刻。但是動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)經(jīng)過應(yīng)變片所測(cè)的裂紋實(shí)際的起裂時(shí)刻ts遠(yuǎn)落后于tpmax，這種滯后現(xiàn)象是由于動(dòng)態(tài)加載的慣性效應(yīng)所導(dǎo)致的。由應(yīng)變片SG1所測(cè)的裂紋實(shí)際的起裂時(shí)刻ts，準(zhǔn)靜態(tài)方法計(jì)算的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程曲線已經(jīng)開始呈下降趨勢(shì)，而試驗(yàn)-數(shù)值法所得到的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程曲線在試樣起裂前隨著時(shí)間的增加呈遞增的趨勢(shì)，在起裂時(shí)刻ts處所得的動(dòng)態(tài)起裂韌度是巷道模型內(nèi)裂紋開始起裂時(shí)刻。經(jīng)過兩者方法的對(duì)比分析可知，試驗(yàn)-數(shù)值法計(jì)算得到的動(dòng)態(tài)起裂韌度更符合動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的測(cè)試情況。

圖8 α=0巷道模型試樣預(yù)制裂紋初始開裂前的應(yīng)力強(qiáng)度因子演化

圖9 α=0.5巷道模型試樣預(yù)制裂紋初始開裂前的應(yīng)力強(qiáng)度因子演化

根據(jù)不同距離比α得到每組巷道模型試件裂紋起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)斷裂韌度，如表1所示。

3 數(shù)值分析

為了研究巷道內(nèi)預(yù)制裂紋在動(dòng)荷載作用下的擴(kuò)展特性，本文采用有限差分法AUTODYN軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在沖擊載荷作用下裂紋的擴(kuò)展路徑?；趫D1(a)的巷道模型尺寸，建立相應(yīng)的純I型和I/II復(fù)合型裂紋巷道數(shù)值模型，數(shù)值模型為三維有限元模型，采用楔形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有237 900個(gè)單元。

表1 不同裂紋距離比α?xí)r的動(dòng)態(tài)斷裂韌度

青砂巖材料采用線性狀態(tài)方程(EOS)，強(qiáng)度模型采用 Elastic。選用的本構(gòu)模型關(guān)系必須具有足夠的強(qiáng)度要求和開裂參數(shù)要求，因此采用修正的最大主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則(MMTS)來作為巖樣的失效準(zhǔn)則，即當(dāng)一個(gè)細(xì)觀單元的最大主應(yīng)力超過材料的最大拉伸強(qiáng)度時(shí)，這個(gè)細(xì)觀單元將失效破壞。巷道圍巖屬于脆性材料，內(nèi)部本身存在較多的微觀裂隙，在動(dòng)荷載作用下聚集、擴(kuò)展，最終產(chǎn)生巷道表面宏觀裂紋，導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)破壞。因此，在選用最大主應(yīng)力準(zhǔn)則的同時(shí)結(jié)合拉伸斷裂軟化損傷破壞模型(Crack Softening，CS)來描述巷道圍巖的破壞行為。為了達(dá)到與試驗(yàn)相同的加載條件，巷道模型試樣加載載荷輸入從入射桿與透射桿采集得到的如圖6所示的加載波形來進(jìn)行加載，并在透射桿末端設(shè)置一段較長的混凝土傳輸邊界，這樣能夠防止透射端邊界被反射波影響巷道模型裂紋的擴(kuò)展軌跡。數(shù)值分析中傳輸邊界將波的法向分量進(jìn)行處理，使其達(dá)到無反射條件。數(shù)值模型參數(shù)根據(jù)上節(jié)1.1中的砂巖參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果選擇α=0、α=0.5、α=0.75這三組數(shù)值模型與試驗(yàn)破壞照片進(jìn)行對(duì)比分析，分析不同裂紋距離比α對(duì)于裂紋擴(kuò)展特性的影響，如圖10所示。從圖中對(duì)比可以看出，當(dāng)α=0時(shí)，此時(shí)裂紋為純I型裂紋，裂紋的起裂與擴(kuò)展方向沿裂紋原方向豎直向上擴(kuò)展，純I型裂紋擴(kuò)展過程中無明顯的拐點(diǎn)特征，這與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。當(dāng)α=0.5、0.75時(shí)，I/II復(fù)合型裂紋起裂與原裂紋形成一定的夾角，形成翼型裂紋擴(kuò)展，最后沿著巷道的對(duì)稱軸區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展，并且復(fù)合型裂紋在擴(kuò)展過程中，存在明顯的拐點(diǎn)特征。這也與試驗(yàn)破壞結(jié)果較為吻合，表明不同的距離比α?xí)?dǎo)致復(fù)合裂紋的擴(kuò)展特性不同。根據(jù)裂紋的不同距離比α的分布規(guī)律，能夠很好的判斷預(yù)制裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)，如果能夠很好的在擴(kuò)展趨勢(shì)路徑中設(shè)置滿足止裂條件的止裂構(gòu)件，這將極大地增強(qiáng)巷道結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

數(shù)值模擬結(jié)果試驗(yàn)破壞結(jié)果

(a) α=0

(b) α=0.5

(c)α=0.75

圖10 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

Fig.10 Comparison between numerical simulation results and experimental results

4 結(jié) 論

(1)采用應(yīng)變片測(cè)試巷道模型預(yù)制裂紋的起裂時(shí)間具有較好的可行性，并結(jié)合裂紋的起裂時(shí)間能夠很好確定裂紋的動(dòng)態(tài)起裂韌度。

(2)本文采用AUTODYN有限差分法軟件對(duì)巷道內(nèi)預(yù)制裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行數(shù)值分析，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，說明AUTODYN能夠較好的模擬沖擊載荷作用下巷道模型的破壞行為，為巷道工程在動(dòng)荷載作用下的數(shù)值分析提供很好的平臺(tái)。

(3)通過試驗(yàn)-數(shù)值法與準(zhǔn)靜態(tài)法的對(duì)比可知，測(cè)定巷道模型內(nèi)預(yù)制裂紋的動(dòng)態(tài)起裂韌度時(shí)，試驗(yàn)-數(shù)值法考慮了巖石材料沖擊加載過程中的慣性效應(yīng)，從計(jì)算原理上講，試驗(yàn)-數(shù)值法能夠更合理的測(cè)試巷道模型的動(dòng)態(tài)起裂韌度，也更符合實(shí)際試驗(yàn)情況。

(4)對(duì)于巷道內(nèi)純I型裂紋的起裂會(huì)沿著裂紋的原方向起裂與擴(kuò)展，而I/II復(fù)合型裂紋的擴(kuò)展會(huì)偏向于巷道模型的最大主應(yīng)力區(qū)擴(kuò)展，即沿著巷道對(duì)稱軸區(qū)域進(jìn)行起裂與擴(kuò)展，并在擴(kuò)展過程中伴隨著拐點(diǎn)特征的發(fā)生。如果能夠在巷道的對(duì)稱軸區(qū)域即最大主應(yīng)力區(qū)域設(shè)置滿足條件的止裂構(gòu)件，這將極大地消除裂紋快速擴(kuò)展的可能性，增強(qiáng)巷道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，例如飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的止裂帶等。