动态爆生裂纹相互影响的试验研究.pdf
第3 3 卷第2 期 爆破 V 0 1 .3 3N o .2 2 0 1 6 年6 月B L A S T I N GJ u n .2 0 1 6 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 4 8 7 X .2 0 1 6 .0 2 .0 0 1 动态爆生裂纹相互影响的试验研究米 杨仁树““,丁晨曦3 ,杨立云。,张永新“,李炜煜8 中国矿业大学 北京 a .力学与建筑T 程学院; b .深部岩土力学与地下T 程国家重点试验室,北京1 0 0 0 8 3 摘要采用以有机玻璃 P M M A 为材料的模型试验方法,分析了试件的破坏形态和裂纹尖端的应力特 征,研究了对向切槽炮孔的不同竖向间距对爆生裂纹扩展的影响。结果表明爆生裂纹扩展过程中,裂纹速 度震荡减小,裂纹尖端应力变化经历两个阶段,I 阶段 0 ~1 1 0 仙s 裂纹尖端动态应力强度因子迅速减小,试 件破坏以拉伸破坏为主;I /阶段 1 1 0 “s ~止裂 裂纹尖端动态应力强度因子先增大后减小,试件破坏兼有拉 伸破坏和剪切破坏。炮孔的竖向间距的不同对爆生裂纹I 阶段扩展影响不大,对Ⅱ阶段扩展影响显著。对 向裂纹起到自由面作用并引导己方裂纹向其发生偏转,从对向裂纹面处反射的应力波加强了己方裂纹尖端 的应力集中。 关键词爆生裂纹;动态应力强度因子;拉伸破坏;剪切破坏;应力波 中图分类号T D 2 3 5 .3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 0 0 1 0 5 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nI n t e r a c t i o nE f f e c to fD y n a m i c C r a c k sI n d u c e db yB l a s t r A N GR e n s h u 8 ’“,D I N GC h e n x i 3 ,r A N GL i .y u n 8 ,Z H A N GY o n g x i n 8 ,L IW e i y u 3 a .S c h o o lo fM e c h a n i c sa n dC i v i lE n g i n e e r i n g ;b .S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rG e o m e c h a n i c sa n d D e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ,B e i j i n g10 0 0 8 3 ,C h i n a A b s t r a c t T h em o d e lt e s tw i t hP M M Am a t e r i a lw a sa p p l i e dt oa n a l y z et h ef a i l u r em o d e so fs p e c i m e n sa n ds t r e s s c h a r a c t e r i s t i c so fc r a c kt i p s ,a n df u r t h e rt h ee f f e c t s o fv e r t i c a li n t e r v a l sw e r es t u d i e db e t w e e nt h et w on o t c h e db o r e h o l e so nb l a s tc r a c kp r o p a g a t i o n .T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec r a c kv e l o c i t yg o tr e d u c e da n do s c i l l a t e dd u r i n gp r o p a g a t i o no fb l a s tc r a c k .S t r e s sc h a n g eo fc r a c kt i pe x p e r i e n c e dt w os t a g e s ,n a m e l yt h ed y n a m i cs t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro f c r a c kt i pd e c r e a s e dr a p i d l yi nt h ef i r s ts t a g e 0 11 0I X S ,w h e r et h em a i nf a i l u r em o d eo fs p e c i m e n sw a st e n s i l ef a i l u r e ;w h i l ew h i c hi n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e di nt h es e c o n ds t a g e 11 0 斗s ~c r a c ka r r e s t ,w i t hf a i l u r em o d e s o ft e n s i l ea n ds h e a rf a i l u r e s .V e r t i c a li n t e r v a l sb e t w e e nt h et w on o t c h e db o r e h o l e sm a d el i t t l ee f f e c t so np r o p a g a t i o no f b l a s tc r a c ki nt h ef i r s ts t a g eb u th a ds i g n i f i c a n te f f e c t si nt h es e c o n ds t a g e .T h eo p p o s i t ed y n a m i cc r a c kp l a y e dar o l e o ff r e ef a c ea n dm a d eo w nc r a c kd i r e c t i o n ,a n dt h es t r e s sw a v er e f l e c t e df r o mt h eo p p o s i t ec r a c ks u r f a c ee n h a n c e dt h e s t r e s sc o n c e n t r a t i o n . K e yw o r d s b l a s ti n d u c e dc r a c k ;d y n a m i cs t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ;t e n s i l ef a i l u r e ;s h e a rf a i l u r e ;s t r e s sw a v e 收稿日期2 0 1 6 一叭一0 5 作者简介杨f ■树 1 9 6 3 一 ,男,教授、博士生导师,主要从事岩土工 程、爆破_ 丁程等方面的教学与科研丁作, E - m a i l d i n g c x 9 I s i n a .c o r n 。 通讯作者丁晨曦 1 9 9 1 一 ,男,博士研究生,主要从事岩土工程、爆 破工程的研究, E m a i l 11 9 3 3 9 7 1 7 4 q q .c o r n 。 基金项目国家自然科学基金一煤炭联合基金重点项目 5 1 1 3 4 0 2 5 ; 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室自主重点课题 G D U E Z B 2 0 1 4 0 1 岩石在爆炸作用下,以爆源为中心,爆炸影响区 域由内往外分为破碎区、裂隙区和弹性振动区,其中 裂隙区的裂纹扩展一直是爆炸力学、断裂力学等相 关学科领域重点研究的问题。近年来,很多专家学 者对此进行了大量研究。试验研究方面,胡荣等研 万方数据 2爆破 2 0 1 6 年6 月 究了爆炸动载荷作用下介质内裂纹的起裂及扩展规 律⋯;杨鑫等研究了人工裂隙对爆炸裂纹扩展的影 响旧o ;杨仁树等采用切缝药包的定向断裂控制爆破 方法,比较了爆生主裂纹和次裂纹在能量释放率上 的差异∞o ;李清等应用焦散线试验方法,分析了爆 炸应力波作用下分支裂纹动态力学特性【4J 。数值 模拟方面,王伟等对爆炸冲击波荷载下岩石I 型微 裂纹动态起始扩展和爆生气体的动态作用效果进行 数值研究o ;谢冰等通过P F C 2 D 软件模拟了预裂爆 破作用下裂纹的扩展情况旧‘;王建国等利用L S .D Y N A 软件对不同爆破参数条件下的预裂缝形成过程 进行模拟“ 。。理论分析方面,任利等以复合型裂纹 为研究对象,对裂纹尖端的塑性区分布规律进行了 理论计算旧o ;蒋玉川等建立脆性材料复合型裂纹的 断裂准则,对裂纹起裂角及临界荷载进行预测一J 。 切槽爆破、切缝药包爆破等定向断裂控制爆破 方法是巷道掘进、隧道开挖等常用的爆破施工方 法0 ’J 。施工过程中,由于多个装药炮孑L 同时起 爆,一定岩体区域范围内会出现多条爆生裂纹同时 扩展的情况,而对于这种爆炸作用下的动态扩展裂 纹之间的相互影响却鲜有研究。基于此,以P M M A 为模型材料,采用试验室模型试验的方法,初步研究 爆炸作用下动态扩展裂纹之间的相互影响规律,为 相关工程实践提供一定的理论参考。 1 爆炸模型试验 1 .1 试件参数 图1 为试件示意图,试件采用的材料为4 0 0m l T l 3 0 0m m 5m m 的P M M A ,P M M A 的相关动态力学 参数为膨胀波波波速C , 2 3 2 0m /s ,剪切波波速 C 。 1 2 6 0m /s ,动态弹性模量E 。 6 .1G N /m 2 ,动态 泊松比Ⅳ。 0 .3 1 ,动态应力光学常数Ic 。J 8 5 仙m 2 /N 。试件上预制两个对向切槽的炮孑L ,炮孔 半径为3m m ,切槽深度为lm m ,采用切槽炮孑L 的设 计是利用其定向断裂效果形成沿切槽方向扩展的爆 生裂纹,从而更好地研究动态爆生裂纹在扩展过程 中的相互影响。两个炮孔的水平间距为1 2 0m m ,竖 向间距为L 0 /3 0m m ,即根据炮孔竖向间距£的不 同,试验分为2 组,分别记作.S 。、s 。其中,.S 。的竖 直间距L 0 ,即两炮孑L 处于同一水平位置;S 的竖 直间距L 3 0m m 。 试验采用敏度较高的叠氮化铅作为起爆药,每 个炮孑L 装药量为1 2 0m g 。叠氮化铅的相关性能参 数为爆熔3 0 8L /k g ,爆热1 5 2 4k J /k g ,爆温3 0 5 0 ℃, 爆速4 4 7 8m /s 。 图1 试件不意图 单位m m F i g .1 T h es k e t c hm a po fs p e c i m e n u n i t r a m 1 .2 试验系统与设备 图2 为本试验采用的新型数字激光动态焦散线 试验系统2 | ,高速相机能够将爆炸破坏的整个过程 全部记录,实现试验过程的数字化采集。图3 所示 为本试验使用的起爆装置M D 一2 0 0 0 多通道脉冲点 火器,通过高压放电完成对炸药的起爆,该装置共有 6 个起爆通道,本试验采用其中的1 、2 通道。 速相机 图2 新型数字激光动态焦散线试验系统 F i g .2 T h en e wt e s ts y s t e mo fd i g i t a ll a s e rd y n a m i cc a u s t i c s 1 .3 试验操作 在炮孔1 和炮孑L2 中分别插入金属探针,探针 另一端分别用屏蔽线接入点火器的1 、2 通道,延时 设置为0 ,即设置两炮孔同时起爆。将试件固定在 万方数据 第3 3 卷第2 期 杨仁树,丁晨曦,杨立云,等动态爆生裂纹相互影响的试验研究 3 图2 所示的加载架上,开启激光器和高速相机,打开 脉冲点火器电源开关,激活1 、2 通道。触发起爆开 关,金属探针尖端高压放电起爆,同时高速相机通过 后触发完成对爆炸过程的拍摄记录。将相机的记录 信息导人计算机中并保存。 图3 多通道脉冲点火器 F i g .3 M u l t i c h a n n e lp u l s ei g n i t o r 2 破坏形态与过程 2 .1 破坏形态 图4 所示为试件J s 。、5 的破坏形态。在爆炸荷 载下,试件S .的两侧炮孑L 处分别形成裂纹A 、B ,裂 纹沿炮孑L 切槽方向扩展,总体较为平直,定向断裂效 果明显,在试件中央局部有勾连但并未相互贯穿,裂 纹4 、B 形态相似。试件.s 的两侧炮孔处分别形成 裂纹C 、D ,两条裂纹在前期基本沿着切槽方向扩展, 后期向着对方裂纹发生明显偏转,裂纹C 、D 形态相 似。两个试件炮孔周边均出现较为密集的微裂纹和 数条较短的爆生次裂纹。 擘懑一 a 试件S 。 a S p e c i m e nS b 试件是 b S p e c i m e n 足 图4 试件破坏形态 F i g .4 F a i l u r em o d e so fs p e c i m e n s 2 .2 破坏过程 图5 所示为试件.s 。、S 爆生裂纹扩展过程的动 态焦散照片。由于炮孔堵塞装置对爆炸近区的遮 掩,高速相机拍摄的焦散照片中并未记录爆生裂纹 起裂和最初扩展阶段的有效试验数据。当裂纹扩展 离开遮掩区域进入高速相机的视场之后,所有裂纹 扩展信息都能准确获得。 a 试件S 。 a S p e c i m e nS b 试件S b S p e c i m e n 曼 图5试件破坏过程的动态焦散照片 F i g .5D y n a m i cc a u s t i cp h o t o so fs p e c i m e n sd u r i n gf a i l u r e 万方数据 4爆破2 0 1 6 年6 月 对于试件.s .,炸药起爆产生爆轰波,随后在试 件中衰减为应力波,应力波的圆形波阵面以炮孔 爆源 为中心向四周扩散传播,2 0 斗s 时,应力波波 阵面相遇。在切槽的导向作用下,裂纹起裂并扩展, 分别形成裂纹A 、B ,从裂纹起裂至1 1 0 s ,裂纹沿切 槽对向扩展,基本水平,裂纹尖端焦散斑形状为I 型,说明在这一过程中试件J s .的主要破坏形式为拉 伸破坏。1 1 0 s 后,两条裂纹逐渐靠近,受到对向 裂纹的影响,裂纹扩展稍偏离原方向;1 6 0 s 时,两 裂纹并未直接相遇贯穿,而是彼此绕行;至1 8 0 仙s , 两裂纹尖端相互错开并向对方裂纹偏移扩展; 2 3 0t x s 左右,裂纹相互勾连并止裂。在此阶段,裂纹 尖端焦散斑呈现不规则的复合形态,说明这一过程 中试件.s .的破坏形式兼有拉伸破坏和剪切破坏。 裂纹A 、B 在扩展行为上整体保持较高的一致性。 类似的,对于试件.s ,在起爆后的3 0 斗s ,应力 波的波阵面相遇,从图中可以看出应力波相互干涉 的明显倾斜界面,随后应力波相互远离,在试件中沿 原方向继续传播。从裂纹c 、D 起裂至l1 0 s ,裂纹 基本沿着切槽方向扩展,1 1 0 s 后,裂纹扩展明显 偏离原方向,向着对方裂纹扩展。1 8 0 “s 时,裂纹 C 、D 扩展至同一竖向位置,两裂纹的水平位移和竖 直位移基本相等。此后,裂纹继续扩展,偏转程度愈 见明显。2 4 0t x s ,两裂纹基本同时止裂。随着裂纹 扩展的明显偏转,裂纹尖端焦散斑由I 型形态向复 合型形态过渡,试件s ,由以拉伸破坏为主的单一破 坏形式发展为兼有拉伸破坏和剪切破坏的复合型破 坏形式。裂纹C 、D 在扩展行为上整体保持较高的 一致性。 3 裂纹扩展分析 3 .1 裂纹扩展的运动分析 从上述分析中得知试件S .的裂纹A 、B 和试件 5 2 的裂纹C 、D 在扩展行为上均分别具有较高的一 致性,取试件S ,的裂纹A 和试件.s 的裂纹C 进一 步进行分析。 图6 所示为裂纹,4 、C 偏转倾角与水平位移的 关系曲线,可以看出,在裂纹扩展的前期,裂纹沿水 平方向扩展,没有发生明显偏转。随着裂纹扩展水 平位移的增加,同一试件上的两条裂纹逐渐逼近。 结合图4 ,裂纹A 在绕过裂纹曰的过程中,发生短暂 的偏转,最大偏转角度为2 1 。,随后扩展趋于水平。 随着水平位移的增加,裂纹C 发生明显偏转,并且 偏转角度呈现加速增长的趋势,直至止裂,最大偏转 角度为3 5o 。可见,裂纹C 在扩展过程中的偏转程 度要明显大于裂纹A 的。 一 已 \ 娅 娶 水半位移/m m 图6裂纹扩展的偏转倾角与水平位移的关系 F i g .6 C r a c kd e f l e c t i o na n g l ew i t hh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n td u r i n gp r o p a g a t i o n 图7 所示为裂纹扩展速度与时间的关系,在裂 纹扩展的这个过程中,速度始终震荡变化,裂纹扩展 克服阻力,能量消耗,速度趋于减小。扩展初期的速 度为整个过程中的最大值,其中裂纹A 的最大速度 为4 0 2m /s ,裂纹B 的最大速度为3 8 4m /s 。 时间/“s 图7裂纹扩展的速度与时间的关系 F i g .7 C r a c kv e l o c i t yw i t ht i m ed u r i n gp r o p a g a t i o n 3 .2 裂纹扩展的应力分析 通过测量焦散斑的尺寸,代人公式得出裂纹尖 端动态应力强度因子值的方法在相关文献[ 1 3 一1 6 ] 中已详细说明,在此不再赘述。图8 所示为根据裂 纹A 、c 尖端动态应力强度因子剧与对应时间拟合 的B .样条曲线,根据耐的变化趋势,裂纹扩展的应 力变化可以分为两个明显不同的阶段。 I 阶段 0 一1 1 0 s 裂纹尖端霹在扩展初期 最大,通过对可测区域内的试验数据计算所得的裂 纹A 的峰值K 为2 .6 8M N /m Ⅳ2 ,裂纹c 的峰值K ; 为2 .5 2M N /m Ⅳ2 ,起裂后裂纹扩展克服阻力,裂纹 尖端能量消耗,霹随之迅速减小。至1 1 0I x s ,K ;达 万方数据 第3 3 卷第2 期杨仁树,丁晨曦,杨立云,等动态爆生裂纹相互影响的试验研究 到阶段I 的最小值,其中裂纹4 为1 .5 0M N /m Ⅳ2 , 裂纹B 为1 .5 7M N /m Ⅳ2 。裂纹A 、C 尖端动态应力 强度因子剧变化趋势基本一致,且对应值也基本相 同,对应于图5 中所显示的裂纹沿切槽方向水平扩 展的过程,裂纹扩展平直。可见在此阶段,炮孑L 竖向 间距£的不同,对裂纹的扩展并未产生明显影响。 Ⅱ阶段 1 1 0 仙s 一止裂 裂纹A 、C 尖端动态应 力强度因子尉开始迅速增大,对应于图5 中裂纹扩 展开始发生偏转的过程。随着时间推移,对向裂纹 B 、D 逐渐向裂纹A 、C 逼近,对向裂纹B 、D 在扩展过 程中起到自由面的作用,使得裂纹A 、C 向其发生不 同程度的偏转。此外,从对向裂纹面上反射回来的 应力波加强了对裂纹尖端的作用,增加了裂纹尖端 应力集中程度。在此阶段,裂纹A 尖端的最大群为 2 .1 3M N /m Ⅳ2 ,裂纹C 尖端的最大砰达到了 2 .4 9M N /m Ⅳ2 。对于试件5 。,裂纹A 、B 的扩展基本 处于同一水平线,由于相对位置的影响,从对向裂纹 曰的裂纹面上反射作用到裂纹A 尖端的应力波就十 分有限;对于试件 ,裂纹c 、D 之间存在明显的高 度梯度,相对而言,从对向裂纹D 的裂纹面上反射 作用到裂纹C 尖端的应力波就比较显著。这也就 造成了这一阶段中裂纹A 尖端所达到的最大动态 应力强度因子小于裂纹C 尖端的。最后,随着裂纹 扩展能量的消耗,趋于止裂。 时,I 阶段裂纹扩展平直,Ⅱ阶段裂纹扩展发生明显 偏转。I 阶段试件破坏以拉伸破坏为主;1 1 阶段试 件破坏兼有拉伸破坏和剪切破坏。 试验过程中,由于裂纹扩展过程中的能量损耗, 裂纹扩展速度震荡减小。同一试件上的两条对向裂 纹互相起到自由面的作用,使裂纹发生不同程度偏 转。从对向裂纹面处发射回来的应力波加强了己方 裂纹尖端的应力集中。两条对向裂纹相对位置关系 的不同,造成了反射应力波对裂纹尖端应力集中加 强程度的不同。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 胡荣,朱哲明,胡哲源,等。爆炸动载荷下裂纹扩展 规律的实验研究[ J ] .岩石力学与工程学报,2 0 1 3 , 3 2 7 1 4 7 6 1 4 8 1 . 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W A N GJ i a n g u o ,G A OQ u a n - c h e n ,w uH a o ,e ta 1 .N u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so nm e c h a n i s mo ft h ec r a c kf o r - m a t i o ni n d u c e db yp r e s p l i tb l a s t i n g [ J ] .N o n f e r r o u sM e t a l s M i n i n gS e c t i o n ,2 0 1 4 ,6 6 2 8 0 8 4 ,9 2 . i nC h i n e s e 任利,朱哲明,谢凌志,等.复合型裂纹断裂的新准 则[ J ] .固体力学学报,2 0 1 3 ,3 4 1 3 1 3 7 . R E NL i ,Z H UZ h e m i n g ,X I EL i n g - z h i ,e ta 1 .N e wf r a c t u r e c r i t e r i o nf o rm i x e dm o d ec r a c k s 『J ] .C h i n e s eJ o u r n a lo f S o l i dM e c h a n i c s ,2 0 1 3 ,3 4 1 3 1 - 3 7 . i nC h i n e s e 蒋玉川,徐双武,陈辉.脆性材料复合型裂纹的断裂 准则[ J ] .工程力学,2 0 0 8 ,2 5 4 5 0 5 4 . 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G A OG ,L IZ ,X UJ .O p t i c a lm e t h o do fc a u s t i c sa p p l i e d i nv i s c o e l a s t i cf r a c t u r ea n a l y s i s [ J ] .O p t i c sa n dL a s e r si n E n g i n e e r i n g ,2 0 11 ,4 9 5 6 3 2 6 3 9 . 李清,赵艳苹,马英丽,等.动焦散线在爆炸裂纹扩 展试验研究中的应用[ J ] .工程爆破,2 0 0 5 ,1 1 3 9 一 1 2 . L IQ i n g ,Z H A OY a n - p i n g ,M AY i n g l i ,e ta 1 .A p p l i c a t i o n o fd y n a m i cc a u s t i c sf o rc r a c k sp r o p a g a t i o nu n d e rb l a s t i n g l o a d [ J ] .E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ,2 0 0 5 ,1 1 3 9 一1 2 . i n C h i n e s e 杨仁树,边亚东,程海燕,等.爆炸载荷下动态焦散图 像的自动化处理[ J ] .中国矿业大学学报,2 0 0 5 , 3 4 2 4 8 . Y A N GR e n s h u ,B I A NY a d o n g ,C H E N GH a i y a n ,e ta 1 . I m a g ep r o c e s s i n gf o rd y n a m i cc a u s t i cu n d e rb l a s tl o a d i n g [ J ] .J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y , 2 0 0 5 ,3 4 2 4 8 . i nC h i n e s e 万方数据