圓孔缺陷對爆生裂紋擴展行為影響的試驗研究

楊仁樹, 左進京, 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)與地下工程重點實驗室，北京 100083)

在爆破工程實踐中，經(jīng)常會利用空孔的某些特性提升施工效果。如，在巖巷快速掘進掏槽孔的布置中，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展。

Yang等[4]采用夾雜理論分析了圓形夾雜體與I型運動裂紋之間的關(guān)系。Rubinstein[5]研究了細(xì)微缺陷體與宏觀運動裂紋之間的作用關(guān)系。肖同社等[6]利用動焦散實驗系統(tǒng)，研究了運動裂紋穿過節(jié)理面時裂紋尖端動態(tài)應(yīng)力強度因子的變化情況，為含節(jié)理巖體的爆破工程實踐提供理論依據(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，同時分析了不等壓條件下剪切裂紋的產(chǎn)生機理。姚學(xué)鋒等[8]采用動態(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)力場瞬時分布的變化過程，為爆炸應(yīng)力波在空孔周圍作用機理提供了新的研究方法。岳中文等[9-10]利用爆炸加載動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)，用PMMA(Polymethyl Methacrylate)材料進行模型實驗，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展的影響規(guī)律。勵爭等[11]采用焦散線方法對混合材料進行了動態(tài)斷裂實驗研究，根據(jù)裂紋尖端焦散斑得出了裂紋的擴展速度和材料的動態(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態(tài)擴展規(guī)律，結(jié)果表明預(yù)制裂紋能夠減弱爆生主裂紋的擴展行為。楊鑫等[14]研究了裂紋與炮孔相對位置變化時的裂紋擴展情況，得到了爆生裂紋隨預(yù)制裂紋角度變化而變化的模型機制。楊仁樹等[15-16]利用動態(tài)加載焦散線實驗系統(tǒng)研究了不同角度預(yù)制裂紋對運動裂紋擴展行為的影響規(guī)律，同時對缺陷體與Ⅰ型運動裂紋相互作用規(guī)律進行研究。

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

1 實驗測試原理

1.1 動焦散實驗原理及系統(tǒng)

數(shù)字激光動態(tài)焦散線實驗系統(tǒng)由高速攝影儀、場鏡、試件、激光光源等組成。實驗前預(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、爆破等動態(tài)加載條件下裂紋擴展行為的光測力學(xué)分析，透射式焦散線實驗系統(tǒng)光路示意圖，如圖1所示。

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

1.2 裂紋擴展位移與擴展速度的確定

根據(jù)高速相機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際值，進而求出相鄰兩幅圖片的實際位移差，規(guī)定裂紋起裂處為位移0點，根據(jù)實際位移差可得出位移-時間曲線。由相鄰圖片的位移差和時間間隔，可求出焦散斑在相鄰兩幅圖中的平均速度值。

1.3 動態(tài)應(yīng)力強度因子的確定

(1)

2 實驗描述

試件材料采用有機玻璃板(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展的影響，首先設(shè)計沒有空孔缺陷時，爆炸載荷對預(yù)制裂紋擴展的影響，如圖2(a)所示；然后設(shè)計有空孔缺陷時其對裂紋擴展的影響，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。為了保證實驗結(jié)果的可靠性，每種方案平行做3個試件。

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 實驗結(jié)果

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

圖3 實驗結(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 裂紋擴展的動態(tài)分析

圖4為裂紋擴展的動態(tài)過程系列圖片，從圖4(a)可知，在第40 μs時，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 裂紋擴展速度分析

圖5為裂紋擴展速度隨裂紋長度變化曲線。由圖5可知，整個過程分為兩個階段。①爆生主裂紋擴展過程；②次生裂紋擴展過程為第二階段?？湛讓咏湛字車倪\動裂紋擴展速度有較大影響。3種試件中，爆生主裂紋在接近空孔時速度均會突然增大，這是因為在爆炸應(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，裂紋尖端擴展至擾動范圍時，空孔周圍擾動應(yīng)力場加速爆生裂紋的擴展。說明在爆炸荷載作用下，空孔周圍應(yīng)力場能夠加速運動裂紋的擴展。在階段“②”，次生裂紋擴展速度與爆生主裂紋擴展速度相比有明顯的不同。次生裂紋擴展速度小于爆生主裂紋擴展速度，次生裂紋在擴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，裂紋開始擴展，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，次生裂紋crack-2的最大速度為245 m/s；空孔直徑為20 mm時，次生裂紋crack-2的最大速度為388 m/s；空孔直徑為30 mm時，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，有一個最優(yōu)的直徑，使次生裂紋crack-2的裂紋擴展速度最大。

4.2 裂紋擴展的動態(tài)應(yīng)力強度因子

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

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

圖6 動態(tài)應(yīng)力強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，爆炸荷載對預(yù)制裂紋的影響較小，預(yù)制裂紋不能擴展；有空孔缺陷時爆炸荷載對預(yù)制裂紋的影響較大，預(yù)制裂紋起裂并擴展。

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

(3)次生裂紋擴展速度和裂尖動態(tài)應(yīng)力強度因子值都小于爆生主裂紋相應(yīng)值，且次生裂紋擴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，次生裂紋擴展距離先增大后減小，說明存在一個最優(yōu)的空孔尺寸，使應(yīng)力集中區(qū)次生裂紋擴展長度最大，對裂紋擴展的促進作用最為顯著。

參 考 文 獻

[ 1 ] 李清, 張隨喜, 張迪, 等. 立井基巖深孔定向斷裂爆破應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 建井技術(shù), 2013,34(1): 28-30.

LI Qing, ZHANG Suixi , ZHANG Di, et al. Application technology research of deep hole directional fracture lasting in shaft bedrock[J]. Mine Construction Technology,2013,34(1): 28-30.

[ 2 ] 張奇, 王小林, 楊永琦, 等. 含空孔直眼掏槽爆破效果分析模型[J]. 工程爆破, 2001,7(1): 1-6.

ZHANG Qi, WANG Xiaolin, YANG Yongqi, et al. A model for analysis of the blasting effect of parallel cut [J]. Engineering Blasting, 2001,7(1): 1-6.

[ 3 ] LANGERFOR S U, KIHLSTORM B. The modern technique of rock blasting [M]. New York： John Willey & Sobs Co., 1963.

[ 4 ] YANG Lihong, CHEN Qiang, LI Zhong-hua. Crack-inclusion interaction for mode I crack analyzed by eshelby equivalent inclusion method[J]. International Journal of Fracture, 2002,118(1): 29-40.

[ 5 ] RUBINSTEIN A A. Macrocrack-microdefect interaction[J]. Journal of Applied Mechanics, 1986,53(3): 505-510.

[ 6 ] 肖同社, 楊仁樹, 邊亞東, 等. 含節(jié)理巖體爆生裂紋擴展的動焦散模型實驗研究[J]. 實驗力學(xué), 2006,21(4): 540-544.

XIAO Tongshe, YANG Renshu, BIAN Yadong, et al. Dynamic caustic model experiment of blasting crack propagating on joint rock[J]. Journal of Experiment Mechanics, 2006,21(4): 540-544.

[ 7 ] 李英杰,潘一山,張頂立.巖石孔洞試件變形破壞的電測法實驗[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,2011,35(4): 78-82.

LI Yingjie, PAN Yishan, ZHANG Dingli. Electrometric experimental study on the deformation and failure of the rock with borehole[J].Journal of Beijing Jiaotong University, 2011,35(4): 78-82.

[ 8 ] 姚學(xué)鋒,方競,熊春陽.爆炸應(yīng)力波作用下裂紋與孔洞的動焦散線分析[J].爆炸與沖擊,1998,18(3): 231-236.

YAO Xuefeng, FANG Jing, XIONG Chunyang. Dynamic caustic analysis of crack and hole under explosive stress waves[J]. Explosive and Shock Waves, 1998,18(3): 231-236.

[ 9 ] 岳中文,楊仁樹,郭東明,等.爆炸作用下空孔周圍應(yīng)力場變化的模型實驗[J].煤炭學(xué)報,2009,34(5): 624-628.

YUE Zhongwen, YANG Renshu, GUO Dongming, et al. Model experimental of stress field around empty hole under blasting loading[J]. Journal of China Coal Society , 2009,34(5): 624-628.

[10] 岳中文,郭洋,王煦,等.空孔形狀對巖石定向斷裂爆破影響規(guī)律的研究[J].巖土力學(xué),2016,37(2): 376-382. YUE Zhongwen, GUO Yang, WANG Xu, et al. Influence on empty hole shape on directional fracture controlled blasting of rock[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016,37(2): 376-382.

[11] 勵爭,樊金武,王君,等.用焦散線法研究PP/PA6/POE-g-MA的動態(tài)斷裂性能[J].實驗力學(xué),2006,21(3): 357-362.

LI Zheng, FAN Jinwu, WANG Jun, et al. Dynamic fracture properties of PP/PA6/POE-g-MA studied by caustics met Hod [J]. Journal of Experimental Mechanics,2006,21(3)： 357-362.

[12] 李清. 爆炸致裂的巖石動態(tài)力學(xué)行為與斷裂控制試驗研究[D]. 北京: 中國礦業(yè)大學(xué)(北京), 2009.

[13] 李清, 張茜, 李晟源, 等. 爆炸應(yīng)力波作用下分支裂紋動態(tài)力學(xué)特性試驗[J]. 巖體力學(xué),2011,32(10): 3027-3032.

LI Qing, ZHANG Xi, LI Shengyuan, et al. Experiment study of dynamic fracture behaviors of branched cracks under blasting stress wave[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011,32(10): 3027-3032.

[14] 楊鑫, 浦傳金, 肖定軍, 等. 不同方位裂隙對爆炸裂紋擴展的影響[J]. 實驗力學(xué)，2014,29(6): 751-759.

YANG Xin, PU Chuanjin, XIAO Dingjun, et al. On the effect of cracks with different orientation on the propagation of blast-induced cracks[J]. Journal of Experiment Mechanics, 2014,29(6): 751-759.

[15] 楊仁樹,王雁冰,候麗冬,等.沖擊荷載下缺陷介質(zhì)裂紋擴展的DLDC 實驗[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014,33(10): 1971-1976.

YANG Renshu, WANG Yanbing, HOU Lidong, et al. DLDC experiment on crack propagation in defective medium under impact loading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014,33(10): 1971-1976.

[16] 楊仁樹,許鵬,岳中文,等.圓孔缺陷與I型運動裂紋相互作用的試驗研究[J].巖土力學(xué), 2016, 37(6): 1597-1602.

YANG Renshu, XU Peng, YUE Zhongwen, et al. Laboratory study of interaction between a circular hole defect and mode I moving crack[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(6):1597-1602.

[17] 楊仁樹, 王雁冰, 楊立云, 等. 雙孔切槽爆破裂紋擴展的動焦散試驗[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2012,41 (6): 868-872.

YANG Renshu, WANG Yanbing , YANG Liyun, et al. Dynamic caustics experiment study on crack propagation in two borehole cut blasting [J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2012,41(6)： 868-872 .