爆炸載荷作用下靜裂紋對(duì)運(yùn)動(dòng)裂紋擴(kuò)展影響的實(shí)驗(yàn)研究

楊仁樹(shù), 左進(jìn)京, 肖成龍, 史國(guó)利

(1. 中國(guó)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)

在煤礦巷道爆破掘進(jìn)施工中，圍巖內(nèi)難免會(huì)出現(xiàn)微裂紋或節(jié)理面等缺陷，這些靜裂紋對(duì)爆炸產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)裂紋的擴(kuò)展行為存在一定影響，研究動(dòng)裂紋與靜裂紋相互作用關(guān)系對(duì)爆破工程具有重要的實(shí)踐意義。Rossmanith等[1]結(jié)合動(dòng)焦散與動(dòng)光彈實(shí)驗(yàn)研究了應(yīng)力波與裂紋相互作用機(jī)理。Li等[2]采用Eshelby等效夾雜理論分析了Ⅰ型裂紋與圓形夾雜體間的相互作用關(guān)系。Mishuris等[3]采用數(shù)值模擬方法研究了剪切作用下裂紋與缺陷介質(zhì)的作用機(jī)制。李清等[4-5]研究了爆炸載荷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)制裂紋能夠抑制爆炸裂紋的擴(kuò)展。肖同社等[6-7]采用動(dòng)焦散系統(tǒng)，研究了爆炸裂紋穿過(guò)閉合節(jié)理面時(shí)的動(dòng)態(tài)特性變化過(guò)程。岳中文等[8-9]利用動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了孔洞、節(jié)理缺陷在爆炸應(yīng)力波作用下的應(yīng)力場(chǎng)變化特征。朱振海等[10]采用動(dòng)光彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究相鄰炮孔間爆炸應(yīng)力波對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程的動(dòng)態(tài)影響，分析了爆炸裂紋貫通機(jī)制。李業(yè)學(xué)等[11]應(yīng)用損傷力學(xué)的基本理論，推導(dǎo)了應(yīng)力波在節(jié)理巖石中傳播波速的解析解。潘長(zhǎng)春等[12]采用模型實(shí)驗(yàn)方法研究了單孔爆炸作用下節(jié)理裂隙的減振效應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果表明巖體裂隙的存在明顯降低了爆破振動(dòng)效應(yīng)。楊仁樹(shù)等[13-14]研究了沖擊載荷下含缺陷介質(zhì)裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)行為，得出缺陷介質(zhì)角度與裂紋擴(kuò)展的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

可以發(fā)現(xiàn)，目前學(xué)者針對(duì)動(dòng)裂紋與靜裂紋之間的相互作用關(guān)系研究較少?；诖?，本文利用數(shù)字激光焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究動(dòng)裂紋與靜裂紋的作用關(guān)系，尤其對(duì)兩者在擴(kuò)展過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性研究進(jìn)行深入分析，探討其內(nèi)在的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理

1.1 動(dòng)態(tài)焦散實(shí)驗(yàn)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(chǎng)鏡1、試件、場(chǎng)鏡2、激光光源組成，如圖1所示。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(chǎng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)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(cè)力學(xué)分析。

圖1 透射式焦散線試驗(yàn)系統(tǒng)光路示意圖

1.2 裂紋擴(kuò)展動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)定方法

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，進(jìn)一步可求出焦散斑在相鄰兩幅圖中的平均速度值。

(1)

2 實(shí)驗(yàn)描述

在焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中拍攝視場(chǎng)有限，而且炸藥炮煙會(huì)對(duì)視場(chǎng)產(chǎn)生影響。為了避免上述缺陷，利用空孔的“應(yīng)力集中”效應(yīng)[16]產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)裂紋。在空孔的背爆側(cè)設(shè)置一條與空孔貫通的預(yù)制裂紋，在爆炸應(yīng)力波作用下預(yù)制裂紋尖端在應(yīng)力集中作用下產(chǎn)生動(dòng)裂紋。試件采用有機(jī)玻璃板(PMMA),尺寸為500 mm×300 mm×6 mm，炮孔直徑為6 mm，單孔裝藥120 mg疊氮化鉛(PbN6)，采用多通道脈沖點(diǎn)火器(MD-200)以高壓放電的形式起爆，炮孔與空孔左側(cè)邊緣間距L1=35 mm?？湛字睆絉=30 mm，與空孔貫通的預(yù)制裂紋L2=4 mm，靜止裂紋長(zhǎng)度為10 mm，與預(yù)制裂紋間距為L(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變L的長(zhǎng)度反映在動(dòng)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，靜止裂紋所處的位置對(duì)動(dòng)裂紋的影響，以及靜裂紋尖端再次起裂產(chǎn)生翼裂紋的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分別取L=5 mm、10 mm、20 mm、30 mm。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種方案做3個(gè)試件。

圖2 模型尺寸示意圖

3 靜裂紋對(duì)動(dòng)裂紋擴(kuò)展軌跡的影響

圖3為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，將運(yùn)動(dòng)裂紋記為crack-Ⅰ，翼裂紋記為crack-Ⅱ，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度如表1所示。五種試件裂紋crack-Ⅰ均能與靜裂紋貫通，但翼裂紋crack-Ⅱ擴(kuò)展長(zhǎng)度各不相同。L=5 mm時(shí)翼裂紋crack-Ⅱ平均長(zhǎng)度為42 mm；L=10 mm時(shí)翼裂紋crack-Ⅱ平均長(zhǎng)度為35 mm；L=20 mm時(shí)翼裂紋crack-Ⅱ平均長(zhǎng)度為27 mm；L=30 mm時(shí)翼裂紋crack-Ⅱ平均長(zhǎng)度為10 mm；L=40 mm時(shí)翼裂紋crack-Ⅱ平均長(zhǎng)度為0 mm；可以看出隨著L的增大，翼裂紋平均長(zhǎng)度逐漸減小，直到L=40 mm時(shí)翼裂紋無(wú)法起裂。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析

(a) L=5 mm

(b) L=10 mm

(c) L=20 mm

(d) L=30 mm

(e) L=40 mm

L1/mmR/mmL2/mmL/mmCrack-Ⅰ/mmCrack-Ⅱ/mm①②③平均353045541434242353041010323736353530420202428292735304303081210103530440400000

圖4為裂紋擴(kuò)展過(guò)程焦散斑動(dòng)態(tài)系列圖片。t=0 μs時(shí)，炸藥起爆。L=5 mm時(shí)，t=40 μs時(shí)空孔右側(cè)預(yù)制裂紋尖端在爆炸應(yīng)力波作用下出現(xiàn)焦散斑，此時(shí)靜裂紋兩端也出現(xiàn)焦散斑，t=70 μs時(shí)，裂紋crack-Ⅰ起裂，t=90 μs時(shí)，裂紋crack-Ⅰ與靜裂紋貫通，t=120 μs時(shí)，裂紋crack-Ⅱ起裂；L=20 mm時(shí)，t=40 μs時(shí)空孔右側(cè)預(yù)制裂紋尖端在爆炸應(yīng)力波作用下出現(xiàn)焦散斑，t=80 μs時(shí)，裂紋crack-Ⅰ起裂，t=110 μs時(shí)，靜裂紋兩端出現(xiàn)明顯的焦散斑，t=150 μs時(shí)，裂紋crack-Ⅰ與靜裂紋貫通，t=170 μs時(shí)，裂紋crack-Ⅱ起裂；L=40 mm時(shí)，t=40 μs時(shí)空孔右側(cè)預(yù)制裂紋尖端在爆炸應(yīng)力波作用下出現(xiàn)焦散斑，t=80 μs時(shí)，裂紋crack-Ⅰ起裂，t=180 μs時(shí)，靜裂紋兩端出現(xiàn)明顯的焦散斑，t=240 μs時(shí)，裂紋crack-Ⅰ與靜裂紋貫通。可以看出，隨著間距L的增大，靜裂紋兩端出現(xiàn)明顯焦散斑的時(shí)間與預(yù)制裂紋尖端出現(xiàn)焦散斑的時(shí)間間隔逐漸增大。這是因?yàn)樵诒☉?yīng)力波的作用下，空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)作用在預(yù)制裂紋尖端上，使預(yù)制裂紋尖端產(chǎn)生焦散斑，當(dāng)間距L較小時(shí)，預(yù)制裂紋尖端局部應(yīng)力場(chǎng)影響靜裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)，使靜裂紋兩端出現(xiàn)焦散斑，但隨著間距L的增大，預(yù)制裂紋尖端局部應(yīng)力場(chǎng)影響范圍小于距離L，此時(shí)靜裂紋兩端不出現(xiàn)明顯的焦散斑，但當(dāng)裂紋crack-I擴(kuò)展至靜裂紋附近時(shí)，運(yùn)動(dòng)裂紋crack-Ⅰ尖端應(yīng)力場(chǎng)會(huì)影響靜裂紋區(qū)域，此時(shí)靜裂紋尖端出現(xiàn)明顯的焦散斑。說(shuō)明運(yùn)動(dòng)裂紋crack-Ⅰ尖端應(yīng)力場(chǎng)能夠影響靜止裂紋局部應(yīng)力場(chǎng)，使靜裂紋兩端出現(xiàn)焦散斑，但運(yùn)動(dòng)裂紋crack-Ⅰ尖端擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)存在一定的影響范圍。

4.2 裂紋擴(kuò)展速度及動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

(a) L=5 mm

(b) L=10 mm

(c) L=20 mm

(d) L=30 mm

(e) L=40 mm

(a) L=5 mm

(b) L=10 mm

(c) L=20 mm

(d) L=30 mm

4.3 翼裂紋動(dòng)態(tài)過(guò)程分析

圖6為翼裂紋擴(kuò)展過(guò)程分析圖。圖6(a)為翼裂紋擴(kuò)展速度與裂尖位移關(guān)系圖，可以看出隨著間距L的增大，翼裂紋擴(kuò)展速度峰值逐漸減小，這是因?yàn)榱鸭ycrack-Ⅰ擴(kuò)展距離越長(zhǎng)，其消耗的能量越大，與靜裂紋貫穿時(shí)攜帶的能量越小，翼裂紋起裂時(shí)的能量越小，所以翼裂紋擴(kuò)展速度峰值逐漸降低。圖6(b)為翼裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子與時(shí)間關(guān)系圖，從曲線可以看出，L=5 mm、10 mm、20 mm、30 mm時(shí)翼裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子峰值分別為0.46 MN·m-3/2、0.36 MN·m-3/2、0.31 MN·m-3/2、0.26 MN·m-3/2，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子峰值隨L的增大逐漸減小。由此可以看出，翼裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性隨著L的改變表現(xiàn)出明顯的差異性，擴(kuò)展速度峰值和動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子峰值都隨著L的增大減小。

(a) 翼裂紋擴(kuò)展速度與裂尖位移的關(guān)系圖

(b) 翼裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子與時(shí)間的關(guān)系圖

5 結(jié) 論

(1) 在實(shí)驗(yàn)條件下，裂紋crack-I均能與靜裂紋貫通，翼裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度不同。隨著裂紋crack-I起裂點(diǎn)與靜裂紋間距L的增大，翼裂紋平均長(zhǎng)度逐漸減小，直到L=40 mm時(shí)翼裂紋無(wú)法起裂。

(2) 當(dāng)運(yùn)動(dòng)裂紋擴(kuò)展至靜止裂紋附近時(shí)，運(yùn)動(dòng)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)對(duì)靜裂紋產(chǎn)生影響，使靜裂紋兩端出現(xiàn)明顯的焦散斑。

(3) 裂紋crack-I的擴(kuò)展速度和動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子在接近靜止裂紋時(shí)都出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。隨著L的增大，翼裂紋的擴(kuò)展速度和應(yīng)力強(qiáng)度因子都逐漸減小，且裂紋擴(kuò)展速度和應(yīng)力強(qiáng)度因子存在正相關(guān)性。

(4) 翼裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性隨著L的改變表現(xiàn)出明顯的差異性，翼裂紋擴(kuò)展速度峰值、動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子峰值隨著間距L的增大逐漸減小。