丁晨曦，楊仁樹(shù)，陳 程，馬鑫民，康一強(qiáng)，趙 勇

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

切縫藥包定向斷裂控制爆破技術(shù)能夠有效控制爆炸能量的釋放，實(shí)現(xiàn)爆生裂紋的定向擴(kuò)展，從而減少周邊巖體的超、欠挖，保障巖石井巷的周邊成型質(zhì)量.隨著巖石井巷爆破工程量的增加，切縫藥包爆破技術(shù)正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用.近年來(lái)，許多科研工作者圍繞切縫藥包和聚能裝藥爆破的基礎(chǔ)理論開(kāi)展了研究[1-3].其中，楊仁樹(shù)等[4]通過(guò)高速紋影實(shí)驗(yàn)和超壓測(cè)試技術(shù)分析了切縫藥包爆破后爆炸波動(dòng)流場(chǎng)的變化規(guī)律，指出爆生氣體優(yōu)先沿切縫方向釋放，切縫方向的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于非切縫方向的，有利于沿切縫方向優(yōu)先形成裂紋.程兵等[5]基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法-有限單元方法（SPH-FEM）耦合方法研究了切縫藥包的爆破機(jī)理，具體分析了切縫藥包爆破的爆轟產(chǎn)物膨脹過(guò)程、爆轟產(chǎn)物粒子運(yùn)動(dòng)速度及炮孔周圍巖體的損傷演化歷程.Yue等[6]采用動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)方法研究了切縫藥包爆破的裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)了相鄰炮孔間裂紋相互勾連的分布特征.此外，進(jìn)一步的研究結(jié)果指出切縫藥包爆破的定向斷裂效果主要受到切縫寬度和不耦合系數(shù)的影響[7-9].

天然巖體中不可避免地存在節(jié)理等缺陷，而節(jié)理對(duì)爆炸應(yīng)力波的傳播和爆生裂紋的擴(kuò)展都有著顯著的影響[10-12].趙安平等[13]認(rèn)為在節(jié)理巖體中爆破時(shí)，炸藥爆炸能量主要被限制在炮孔和附件的節(jié)理面之間，從而導(dǎo)致炮孔附近區(qū)域過(guò)于破碎，不利于爆破能量的有效利用.謝冰等[14]指出炮孔間的節(jié)理對(duì)預(yù)裂爆破成縫效果有顯著的影響，預(yù)裂縫沿炮孔連線方向的平直程度隨節(jié)理與炮孔連線夾角的增大而逐漸趨于平直.進(jìn)一步的研究結(jié)果表明，受壓閉合節(jié)理在爆炸應(yīng)力波的作用下會(huì)在節(jié)理端部起裂并擴(kuò)展形成翼裂紋，該翼裂紋的起裂角度和擴(kuò)展形態(tài)受到初始?jí)簯?yīng)力和爆炸應(yīng)力波的共同影響[15].此外，巖石爆破效果還受到節(jié)理方位和節(jié)理角度的影響[16-17].

由此可見(jiàn)，有關(guān)切縫藥包爆破機(jī)理的研究已經(jīng)取得豐富研究成果，爆破荷載作用下含節(jié)理巖體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注.然而，切縫藥包爆破作用下的節(jié)理起裂和擴(kuò)展等動(dòng)態(tài)行為的研究還不夠深入，節(jié)理對(duì)切縫藥包爆破定向裂紋擴(kuò)展過(guò)程的影響效應(yīng)值得深入探討.基于此，本文結(jié)合高速攝影和動(dòng)態(tài)焦散線方法，開(kāi)展切縫藥包爆破定向裂紋與張開(kāi)節(jié)理相互作用的模型實(shí)驗(yàn)研究，分析張開(kāi)節(jié)理對(duì)定向裂紋擴(kuò)展的影響，闡明定向裂紋作用下的節(jié)理起裂和擴(kuò)展機(jī)制.

1 爆破模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件參數(shù)

采用有機(jī)玻璃（PMMA）作為爆破模型實(shí)驗(yàn)的試件材料，PMMA在沖擊和爆炸荷載作用下具有與巖石材料類似的動(dòng)態(tài)斷裂特征，并具有較好的應(yīng)力光學(xué)特性，被廣泛用作爆破模型實(shí)驗(yàn)的試件材料[18-21].PMMA的動(dòng)態(tài)彈性模量為6.1 GPa，泊松比為0.31.圖1為試件的示意圖，試件尺寸為400 mm×300 mm×5 mm，在試件上采用激光切割的方法預(yù)制炮孔和節(jié)理.具體地，炮孔半徑R=4 mm，炮孔中心到節(jié)理的垂直距離為40 mm，節(jié)理MN兩個(gè)端點(diǎn)M和N之間的距離為b=40 mm，節(jié)理左側(cè)面到端點(diǎn)M和N的距離為a.激光切割的線寬約為0.3 mm，因此，采用激光切割的節(jié)理面之間存在約0.3 mm的縫隙，試件中的節(jié)理為張開(kāi)節(jié)理.根據(jù)距離a取值的不同，本模型實(shí)驗(yàn)共分為3組進(jìn)行，主要研究節(jié)理幾何特征對(duì)切縫藥包爆破定向裂紋與節(jié)理相互作用過(guò)程的影響.3組模型實(shí)驗(yàn)分別記為：S1組（a=0 mm，節(jié)理為直線型），S2組（a=10 mm，節(jié)理為半橢圓型），S3組（a=20 mm，節(jié)理為半圓型）.每組進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn).

圖 1 試件示意圖Fig.1 Diagram of the specimen

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中切縫藥包管殼為采用樹(shù)脂材料通過(guò)3D打印技術(shù)制作而成.其中，切縫藥包管殼的外徑為8 mm，管殼厚度為1 mm，切縫寬度為0.7 mm，切縫長(zhǎng)度為3 mm.模型實(shí)驗(yàn)中所采用的炸藥為疊氮化鉛（Pb(N3)2），Pb(N3)2是一種起爆藥，適用于小藥量的模型實(shí)驗(yàn)研究.Pb(N3)2的爆熱為 1524 kJ·kg-1，爆容為 308 L·kg-1，爆速為 4478 m·s-1.實(shí)驗(yàn)中，在切縫藥包管殼內(nèi)裝填Pb(N3)2，單孔裝藥量為35 mg，將金屬探針插入炸藥中，通過(guò)高壓放電起爆炸藥實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的爆炸加載.

圖 2 3D打印的切縫藥包管殼Fig.2 Slit charge tube by 3D printing

1.2 實(shí)驗(yàn)原理與系統(tǒng)

本模型實(shí)驗(yàn)主要采用動(dòng)態(tài)焦散線方法[22-24]來(lái)研究切縫藥包爆破定向裂紋及節(jié)理起裂和擴(kuò)展過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為.圖3為動(dòng)態(tài)焦散線方法的原理示意圖，裂紋尖端局部區(qū)域在應(yīng)力的作用下對(duì)光線的透射特性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致垂直入射的光線在透射后會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得參考平面的局部區(qū)域無(wú)光線投射，形成暗區(qū).暗區(qū)的輪廓線被稱為焦散線，焦散線的形狀和尺寸分別反映了裂紋尖端的受力狀態(tài)和應(yīng)力集中程度.圖3中，σ為試件所受的應(yīng)力，D為焦散線的特征尺寸，Z0為試件平面到參考平面的距離.

圖 3 動(dòng)態(tài)焦散線方法的原理示意圖Fig.3 Principle diagram of the dynamic caustics method

基于動(dòng)態(tài)焦散線方法，采用數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究.由于爆破加載的瞬態(tài)性，為了捕捉實(shí)驗(yàn)中切縫藥包爆破定向裂紋及節(jié)理起裂和擴(kuò)展的全過(guò)程，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中高速相機(jī)的拍攝速度設(shè)定為每幀100000 s-1，即相鄰兩張照片之間的時(shí)間間隔為10 μs.

2 試件破壞形態(tài)與裂紋分布

3組實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)照分析發(fā)現(xiàn)組內(nèi)試件的破壞形態(tài)具有很好的可重復(fù)性，每組實(shí)驗(yàn)隨機(jī)抽取1個(gè)試件進(jìn)行分析，分別記為試件S1-1、S2-1和S3-1.圖4為爆破后試件破壞形態(tài)與裂紋分布，切縫藥包爆破后，沿切縫方向（水平方向）形成了兩條平直的定向裂紋，并在非切縫方向形成了數(shù)條較短的爆生次裂紋，切縫藥包爆破達(dá)到了良好的定向斷裂效果.其中，3個(gè)試件的左側(cè)定向裂紋A1、A3和A5沿切縫方向擴(kuò)展至貫穿試件；而右側(cè)定向裂紋A2、A4和A6則沿切縫方向擴(kuò)展至節(jié)理處，均未穿過(guò)節(jié)理.由此可見(jiàn)，與閉合節(jié)理或充填節(jié)理不同的是，張開(kāi)節(jié)理對(duì)裂紋的擴(kuò)展具有顯著的阻滯作用，顯著影響了切縫藥包爆破定向裂紋的擴(kuò)展.此外，3個(gè)試件均在節(jié)理端部M和N處萌生并擴(kuò)展出翼裂紋，兩端翼裂紋的擴(kuò)展形態(tài)和分布狀態(tài)基本相同.

圖 4 爆破后試件破壞形態(tài)與裂紋分布.（a）試件 S1-1；（b）試件 S2-1；（c）試件 S3-1Fig.4 Fracture patterns and crack distributions of the specimens after blasting: (a) specimen S1-1; (b) specimen S2-1; (c) specimen S3-1

對(duì)節(jié)理端部M和N處萌生并擴(kuò)展的翼裂紋長(zhǎng)度l及其與切縫方向（水平方向）的夾角θ進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示.同一試件節(jié)理端部產(chǎn)生的兩條翼裂紋長(zhǎng)度及其與切縫方向夾角基本相同，3個(gè)試件的翼裂紋長(zhǎng)度平均值分別為57.7、51.4和61.8 mm，3個(gè)試件的翼裂紋與切縫方向的夾角平均值分別為 10.4°、11.1°和 14.3°.可見(jiàn)，節(jié)理的幾何特征對(duì)翼裂紋起裂夾角和擴(kuò)展長(zhǎng)度均有影響.其中，試件S2-1的翼裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度最小，而試件S3-1的翼裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度最大.

表 1 翼裂紋長(zhǎng)度及其與切縫方向的夾角統(tǒng)計(jì)表Table 1 Lengths of the wing cracks and their included angles with the slits

3 定向裂紋與節(jié)理相互作用分析

3.1 相互作用過(guò)程

以炸藥起爆時(shí)刻記為t=0 μs，圖5所示為3個(gè)試件在爆破過(guò)程中裂紋起裂與擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)焦散線系列照片.實(shí)驗(yàn)中，高速相機(jī)的拍攝視場(chǎng)越大，拍攝速度越低.因此，受限于高速相機(jī)的性能，在保證拍攝速度的前提下，高速相機(jī)只能拍攝一側(cè)定向裂紋的擴(kuò)展過(guò)程.對(duì)于試件S1-1，炸藥爆炸后，爆炸應(yīng)力波由炮孔向四周傳播，t=20 μs時(shí)，爆炸應(yīng)力波傳播至節(jié)理處并發(fā)生發(fā)射，切縫藥包爆破產(chǎn)生的定向裂紋A2在高速相機(jī)視場(chǎng)中出現(xiàn).t=60 μs時(shí)，定向裂紋A2擴(kuò)展至節(jié)理中部位置，這一過(guò)程中，節(jié)理端部在爆炸應(yīng)力波的作用下未發(fā)生明顯的應(yīng)力集中，端部翼裂紋未起裂.隨后，定向裂紋A2 與節(jié)理相互作用，大約 20 μs以后，即t=80 μs時(shí)，節(jié)理端部發(fā)生明顯的應(yīng)力集中并出現(xiàn)焦散線，與此同時(shí)，節(jié)理端部起裂并擴(kuò)展形成翼裂紋B1和B2.此后，兩條翼裂紋持續(xù)擴(kuò)展，直至t=220 μs，翼裂紋止裂.對(duì)于試件S2-1，爆炸應(yīng)力波傳播至節(jié)理處時(shí)，在節(jié)理面處反射，在節(jié)理端部繞射，導(dǎo)致節(jié)理端部發(fā)生明顯的應(yīng)力集中并出現(xiàn)焦散線.在爆炸應(yīng)力波的作用下，節(jié)理端部雖然發(fā)生應(yīng)力集中，但未發(fā)生翼裂紋起裂.隨后，t=60 μs時(shí)，定向裂紋A4擴(kuò)展至節(jié)理中部位置并與節(jié)理相互作用，t=80 μs時(shí)，節(jié)理端部起裂并擴(kuò)展形成翼裂紋B3和B4，兩條翼裂紋持續(xù)擴(kuò)展直至止裂.與試件S2-1類似，對(duì)于試件S3-1，節(jié)理端部在爆炸應(yīng)力波的作用下發(fā)生應(yīng)力集中，但始終未發(fā)生翼裂紋起裂，直至t=50 μs時(shí)，定向裂紋A6擴(kuò)展至節(jié)理中部位置并與節(jié)理相互作用，隨后t=80 μs時(shí)，節(jié)理端部起裂并擴(kuò)展形成翼裂紋B5和B6，并于t=230 μs時(shí)，翼裂紋止裂.

圖 5 爆破過(guò)程中裂紋起裂與擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)焦散線系列照片.（a）試件S1-1；（b）試件S2-1；（c）試件S3-1Fig.5 Dynamic caustics photos of the crack initiation and propagation during blasting: (a) specimen S1-1; (b) specimen S2-1; (c) specimen S3-1

通過(guò)對(duì)上述3個(gè)試件的裂紋起裂和擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，切縫藥包爆破產(chǎn)生的爆生氣體主要沿切縫方向釋放，是定向裂紋起裂和持續(xù)擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿?此外，試件S1-1的節(jié)理端部在爆炸應(yīng)力波的作用下未產(chǎn)生應(yīng)力集中，而試件S2-1和試件S3-1的節(jié)理在爆炸應(yīng)力波的作用下卻產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，這主要是由于節(jié)理端部切線方向與爆炸應(yīng)力波入射方向夾角的差異導(dǎo)致的.但即使如此，爆炸應(yīng)力波作用下的節(jié)理端部應(yīng)力集中仍未達(dá)到起裂韌度，試件S2-1和試件S3-1節(jié)理端部并未在爆炸應(yīng)力波的作用下發(fā)生起裂和擴(kuò)展行為.3個(gè)試件節(jié)理端部均在定向裂紋與節(jié)理相互作用后的20～30 μs時(shí)發(fā)生翼裂紋的起裂.因此，節(jié)理端部翼裂紋的起裂不僅僅是爆炸應(yīng)力波作用的結(jié)果，更是由定向裂紋與節(jié)理相互作用而直接導(dǎo)致的.3組實(shí)驗(yàn)中，切縫藥包爆破定向裂紋的擴(kuò)展方向垂直于節(jié)理（定向裂紋垂直入射），使得定向裂紋與節(jié)理相互作用后，節(jié)理端部M和N的受力狀態(tài)基本一致，最終使得兩端翼裂紋的擴(kuò)展行為和分布狀態(tài)基本對(duì)稱.

為了進(jìn)一步探究定向裂紋與節(jié)理的相互作用過(guò)程，驗(yàn)證定向裂紋擴(kuò)展方向?qū)?jié)理端部翼裂紋起裂和擴(kuò)展行為的影響，在上述3組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了1組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，記為S4組，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)S4組的試件參數(shù)參照S1組，只是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)組的切縫方向與水平方向夾角為30°，使得定向裂紋擴(kuò)展方向傾斜，從而改變定向裂紋與節(jié)理相互作用的入射角度.在S4組中隨機(jī)抽取一個(gè)試件進(jìn)行分析，記為試件S4-1，圖6為試件S4-1爆破過(guò)程中裂紋起裂與擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)焦散線系列照片，t=60 μs時(shí)，切縫藥包爆破產(chǎn)生的定向裂紋A7傾斜進(jìn)入節(jié)理.在定向裂紋A7的作用下，節(jié)理端部N處先發(fā)生應(yīng)力集中并起裂形成翼裂紋B8，隨后節(jié)理端部M處也發(fā)生應(yīng)力集中并起裂形成翼裂紋B7.此后，兩條翼裂紋持續(xù)擴(kuò)展直至止裂，可以發(fā)現(xiàn)，在翼裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，先起裂翼裂紋B8的尖端焦散線尺寸始終明顯大于后起裂翼裂紋B7，說(shuō)明翼裂紋B8的尖端應(yīng)力集中程度較大，最終導(dǎo)致翼裂紋B8的擴(kuò)展長(zhǎng)度顯著大于翼裂紋B7.這主要是由于定向裂紋A7入射角度的差異，導(dǎo)致定向裂紋A7在與節(jié)理相互作用過(guò)程中的能量?jī)?yōu)先在節(jié)理端部N處釋放.驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)組的分析進(jìn)一步證明節(jié)理端部翼裂紋的產(chǎn)生是切縫藥包爆破定向裂紋直接作用的結(jié)果.此外，定向裂紋的入射角度對(duì)節(jié)理端部翼裂紋起裂時(shí)間、擴(kuò)展過(guò)程和擴(kuò)展長(zhǎng)度都有著重要影響.

圖 6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)組試件S4-1爆破過(guò)程中裂紋起裂與擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)焦散線系列照片F(xiàn)ig.6 Dynamic caustics photos of the crack initiation and propagation in specimen S4-1 during blasting

3.2 翼裂紋的起裂和擴(kuò)展

動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子是表征裂紋尖端應(yīng)力集中程度的物理量，通過(guò)對(duì)裂紋尖端焦散線相關(guān)特征尺寸的測(cè)量，結(jié)合動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子（KⅠd）的計(jì)算公式[25-26]，可得到裂紋起裂和擴(kuò)展過(guò)程中動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化曲線.上文分析表明，試件S1-1、S2-1和S3-1的節(jié)理端部?jī)蓷l翼裂紋的擴(kuò)展過(guò)程和分布形態(tài)基本對(duì)稱，故每個(gè)試件只選取1條翼裂紋開(kāi)展對(duì)比分析.圖7為翼裂紋B1（試件 S1-1）、B3（試件 S2-1）和 B5（試件 S3-1）起裂前后動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化曲線.3條翼裂紋的起裂時(shí)間均為t=80 μs時(shí)，翼裂紋B3和B5起裂前的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著時(shí)間的增加而逐漸增加.結(jié)合上文對(duì)翼裂紋起裂和擴(kuò)展過(guò)程的分析，在翼裂紋起裂前，爆炸應(yīng)力波的作用是前期動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子增加的直接原因，而定向裂紋的作用導(dǎo)致了后期動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的增加.翼裂紋B1、B3和B5起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子分別為 0.44×106、0.98×106和 0.55×106N·m-3/2.其中，翼裂紋B1起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子最小，翼裂紋B3起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子最大.表明試件S1-1的節(jié)理端部最易起裂，而試件S2-1的節(jié)理端部最難起裂.可見(jiàn)，節(jié)理的幾何特征影響了節(jié)理端部翼裂紋的起裂行為.具體地，直線型節(jié)理端部最易起裂，半圓型節(jié)理端部起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子是直線型節(jié)理的1.25倍，而半橢圓型節(jié)理端部最難起裂，其起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子是直線型節(jié)理的2.23倍.此外，翼裂紋起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子為整個(gè)起裂和擴(kuò)展過(guò)程中的最大值.翼裂紋起裂后，由于定向裂紋與節(jié)理的相互作用，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子雖有所衰減，但在翼裂紋的擴(kuò)展前期仍能保持較大的數(shù)值，翼裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的翼裂紋動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子存在“平臺(tái)期”.在翼裂紋擴(kuò)展后期，定向裂紋與節(jié)理的相互作用逐漸減弱，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子迅速衰減，直至翼裂紋止裂.

圖 7 試件S1-1、S2-1和S3-1的翼裂紋起裂前后動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Time curves of the dynamic intensity factor of the wing cracks in specimens S1-1, S2-1, and S3-1

進(jìn)一步地，對(duì)比分析定向裂紋垂直入射和傾斜入射兩種情況下翼裂紋的起裂和擴(kuò)展行為.圖8為翼裂紋 B1（試件 S1-1）、B7（試件 S4-1）和B8（試件S4-1）起裂前后動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化曲線.可以發(fā)現(xiàn)，試件S4-1的2條翼裂紋B7和B8的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值存在顯著差異.翼裂紋B1和B7的起裂時(shí)間相同，均為t=80 μs；翼裂紋B8的起裂時(shí)間相對(duì)較早，為t=70 μs.翼裂紋B7起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子為0.43×106N·m-3/2，與翼裂紋B1起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子基本相同；而翼裂紋B8起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到了 0.68×106N·m-3/2，顯著大于翼裂紋 B1 和翼裂紋B7的.定向裂紋的傾斜入射造成了節(jié)理兩端受力特征的差異性，定向裂紋優(yōu)先作用于節(jié)理端部N處，導(dǎo)致能量?jī)?yōu)先集聚，翼裂紋B8優(yōu)先起裂并在擴(kuò)展過(guò)程中攜帶更多的能量.起裂后，翼裂紋B7的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子迅速衰減并率先止裂，翼裂紋B8的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子雖然在擴(kuò)展前期衰減較快，較大的攜能仍能維持其較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)擴(kuò)展.t＞180 μs時(shí)，翼裂紋B8的擴(kuò)展超出高速相機(jī)拍攝視場(chǎng)（圖6），導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展后期的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)缺失.通過(guò)對(duì)3條翼裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量并對(duì)比，發(fā)現(xiàn)翼裂紋B8的擴(kuò)展長(zhǎng)度最長(zhǎng)，而翼裂紋B7的擴(kuò)展長(zhǎng)度最短.

圖 8 試件S1-1和S4-1的翼裂紋擴(kuò)展過(guò)程中動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Time curves of the dynamic intensity factor of the wing cracks in specimens S1-1 and S4-1

4 結(jié)論

切縫藥包爆破能夠產(chǎn)生兩條沿切縫方向擴(kuò)展的定向裂紋.與閉合節(jié)理或充填節(jié)理不同的是，張開(kāi)節(jié)理對(duì)定向裂紋的擴(kuò)展具有顯著的阻滯作用.定向裂紋不會(huì)穿過(guò)張開(kāi)節(jié)理繼續(xù)擴(kuò)展，而會(huì)在節(jié)理端部產(chǎn)生兩條翼裂紋.張開(kāi)節(jié)理的幾何特征對(duì)翼裂紋的擴(kuò)展角度和擴(kuò)展長(zhǎng)度都有顯著影響.分析表明，爆炸應(yīng)力波作用下，張開(kāi)節(jié)理端部能否產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象也很大程度上取決于節(jié)理幾何特征和應(yīng)力波入射角度.本實(shí)驗(yàn)條件下，爆炸應(yīng)力波的作用都未能導(dǎo)致翼裂紋的起裂，切縫藥包爆破定向裂紋與節(jié)理的相互作用是翼裂紋起裂和擴(kuò)展的直接動(dòng)因.在定向裂紋垂直入射節(jié)理的情況下，不同幾何特征節(jié)理的翼裂紋在起裂時(shí)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度因子也存在顯著差異，節(jié)理的幾何特征決定了翼裂紋起裂的難易程度.

此外，定向裂紋與張開(kāi)節(jié)理相互作用時(shí)的入射角度對(duì)節(jié)理端部翼裂紋的起裂和擴(kuò)展行為有顯著影響.當(dāng)定向裂紋垂直入射時(shí)，節(jié)理兩端的受力狀態(tài)基本相同，兩條翼裂紋的起裂和擴(kuò)展行為基本一致，兩條翼裂紋的分布狀態(tài)基本對(duì)稱.當(dāng)定向裂紋傾斜入射時(shí)，節(jié)理兩端的受力狀態(tài)存在差異，靠近定向裂紋入射點(diǎn)的一端能夠獲得更多的起裂能量，從而優(yōu)先起裂和擴(kuò)展，并形成更長(zhǎng)的翼裂紋.