圆孔缺陷对爆生裂纹扩展行为影响的试验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸荷载作用下空孔缺陷对裂纹扩展行为的作用关系,以及裂纹扩展行为的规律。结果表明:在爆炸载荷作用下,空孔缺陷能够促使预制裂纹起裂并扩展,且空孔对爆生裂纹扩展方向有明显的导向作用;当爆生裂纹向空孔扩展时,空孔对爆生裂纹扩展行为有促进作用,使爆生裂纹与空孔贯通时速度和应力强度因子值增大;次生裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子值都小于爆生裂纹相应值,且次生裂纹扩展初始阶段速度最大,裂纹的起裂韧度在0.8~1.1 MN/m~(3/2);随着空孔直径的增大,次生裂纹扩展长度先增大后减小,说明存在一个最优的空孔尺寸,使次生裂纹扩展距离最大,对裂纹扩展的促进作用最为显著。     

冲击载荷下层状岩体动态断裂行为的模拟试验研究

采用有机玻璃和环氧树脂两种材料组成的试件模拟层状岩体,对层状岩体的动态断裂行为进行了动态焦散线三点弯曲冲击试验研究。试验结果表明,裂纹扩展到层理面时,不是直接穿过层理面沿原扩展方向继续扩展,而是产生一定的偏移后再继续扩展,其偏移距离与预制裂纹和层理面夹角有关,预制裂纹与层理面夹角越大,裂纹的偏移距离越大;当预制裂纹与层理面夹角90°时,裂纹穿过层理面后只产生一条偏移裂纹,而夹角为90°时,裂纹扩展至层理面后将产生两条偏移裂纹,并且这两条裂纹轨迹几乎对称;裂纹扩展过程中,随着裂纹尖端距层理面的距离减小,裂纹尖端动态应力强度因子Kd1和裂纹扩展速度v均逐渐减小,说明层理面对裂纹的扩展起阻碍作用,预制裂纹与层理夹角越大阻碍作用越大。研究结果对工程实践有重要的参考价值。     

爆炸载荷作用下静裂纹对运动裂纹扩展影响的实验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸载荷下静裂纹与动裂纹相互作用的影响规律。结果表明:在爆炸载荷作用下,动裂纹与静裂纹贯通,随着预制裂纹起裂点与静裂纹间距L的增大,翼裂纹平均扩展长度逐渐减小,L增大到一定值时,翼裂纹无法起裂;动裂纹的扩展速度和动态应力强度因子在接近静裂纹时呈现出减小的趋势,由于动裂纹尖端应力场的影响,静裂纹两端出现明显的焦散斑;随着间距L的增大,翼裂纹的扩展速度和应力强度因子逐渐减小;翼裂纹扩展过程中的动态特性随间距L的改变表现出明显的差异性,间距L增大,翼裂纹的扩展速度峰值和动态应力强度因子峰值减小。     

爆炸冲击荷载下相邻巷道裂隙扩展机理模拟试验

为探究邻近巷道裂纹缺陷受爆炸荷载作用的扩展机理,采用透射式动态焦散线实验系统进行模拟实验。结果表明,对迎爆侧隐性裂纹,当裂纹与巷道左壁相对距离10 mm时,裂纹右尖端扩展因巷道的存在使预制裂纹导向作用更显著,引导爆生主裂纹与预制裂纹左尖端贯穿,衍射后作用于右尖端反射拉伸引起;对背爆侧隐性裂纹,当裂纹与巷道右壁相对距离4 mm时,裂纹扩展源于薄弱的巷道临空面将绕射的应力波能传递并导向裂纹缺陷,裂纹受拉扩展贯穿。巷道存在会增加其围岩裂纹缺陷处动应力集中,在爆炸应力波作用下会诱发裂纹扩展。     

定向断裂控制爆破爆生裂纹扩展机理的实验研究

采用新型数字激光动态焦散线实验系统,对缺陷介质双孔定向断裂控制爆破裂纹扩展的动态行为进行了研究。结果表明,预制斜裂纹阻断了爆生主裂纹的扩展,最终两条主裂纹分别与翼裂纹形成相互勾连的形状。爆生主裂纹尖端以张拉应力场为主,其断裂为近似I型断裂。当爆生主裂纹运动到预制裂纹附近时,主裂纹端部应力场与预制裂纹尖端奇异应力场相互叠加,在预制裂纹尖端形成较强的拉剪应力场,且受已有主裂纹面的影响,预制裂纹扩展表现为弯向主裂纹面的弯曲断裂。研究结果可为含节理岩体定向断裂控制爆破提供理论依据。     

爆炸荷载下反向弧形裂纹扩展规律的实验研究

为了研究爆炸荷载作用下预制反向弧形裂纹的动态断裂特性,采用数字激光动态焦散线实像-虚像综合实验系统分析爆炸应力波作用下和斜入射爆生运动裂纹作用下预制弧形裂纹尖端实像和虚像焦散斑变化特征、预制弧形裂纹尖端应力强度因子变化特征以及爆生裂纹与翼裂纹运动扩展特征。结果表明：通过实像光路和虚像光路可以定量分析裂纹尖端拉剪应力和压剪应力的动态变化过程,从而获得爆炸荷载与预制弧形裂纹作用的全过程;爆生主、次裂纹能量具有大小之分,且其动态应力强度因子变化趋势具有一致性;定向爆生运动裂纹与预制弧形裂纹贯通位置是造成预制弧形裂纹上下端点应力强度因子差异性的主要原因。     

深部岩体中切槽爆破机理实验分析

深部岩体爆破致裂是初始应力场和爆炸动态载荷叠加作用结果,采用动静组合加载试验装置和焦散线实验系统,在PMMA模型试件中施加初始静态应力场和爆炸动态载荷,探讨炮孔切槽与水平方向成不同角度(0°,45°和90°)下,初始应力场对爆生裂纹扩展规律的影响效应。实验结果表明:①初始压应力场中,切槽孔的存在改变了圆形炮孔周边应力集中;②0°角时,初始应力场降低了裂纹尖端应力集中,抑制裂纹的扩展,且应力越大,抑制效应越明显,但不改变爆生裂纹的扩展方向;③45°角时,初始应力场改变了裂纹扩展模式,由Ⅰ型断裂向混合型转变,随着应力越大,Ⅱ型断裂越明显,且裂纹向最大主应力方向偏转;④90°角时,初始应力场提高了裂纹尖端应力集中,促进裂纹的扩展,且应力越大,促进效应越明显,不改变爆生裂纹的扩展方向。研究结果为深部岩体中开展切槽爆破技术提供理论指导。     

抑制预裂缝端部翼裂纹起裂动焦散实验研究

为了抑制预裂缝尖端产生翼裂纹,保护保留岩体,采用爆炸加载式动焦散系统对空孔影响预裂缝端部翼裂纹起裂规律开展研究。结果表明:空孔不仅可以引导裂纹扩展,而且可以抑制裂纹尖端产生新的翼裂纹向保留岩体扩展;在爆炸荷载作用下空孔周围形成复杂应力场,出现应力集中现象,随着空孔半径增大,主应力差的峰值逐渐减小,特征点连线与水平线夹角逐渐增大,空孔壁更难断裂产生新翼裂纹。研究成果为实际工程控制翼裂纹向保留岩体扩展提供了可靠依据。     

抑制预裂缝端部翼裂纹起裂动焦散实验研究

为了抑制预裂缝尖端产生翼裂纹,保护保留岩体,采用爆炸加载式动焦散系统对空孔影响预裂缝端部翼裂纹起裂规律开展研究。结果表明:空孔不仅可以引导裂纹扩展,而且可以抑制裂纹尖端产生新的翼裂纹向保留岩体扩展;在爆炸荷载作用下空孔周围形成复杂应力场,出现应力集中现象,随着空孔半径增大,主应力差的峰值逐渐减小,特征点连线与水平线夹角逐渐增大,空孔壁更难断裂产生新翼裂纹。研究成果为实际工程控制翼裂纹向保留岩体扩展提供了可靠依据。     

爆炸应力波作用下空孔周围裂纹群的扩展规律

为探究爆炸载荷下空孔应力集中区裂纹群扩展规律,采用爆炸加载透射式焦散线系统,研究单炮孔作用下空孔周围预制裂纹扩展的动态行为。研究结果表明:在空孔与炮孔连线方向上,空孔迎爆侧、背爆侧预制裂纹起裂并扩展,其余方向预制裂纹没有扩展,背爆侧裂纹扩展长度大于迎爆侧裂纹扩展长度;迎爆侧、背爆侧裂纹不会同时起裂,两者起裂时间差为40μs左右,迎爆侧裂纹在扩展阶段的速度和应力强度因子峰值大于背爆侧裂纹相应值;空孔对于爆生裂纹的导向作用随炮孔与空孔距离L的增大越来越不明显,迎爆侧、背爆侧裂纹扩展速度、应力强度因子值随着L的增大而减小。     

定向断裂双孔爆破含缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,进行双孔爆破爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展试验。研究了含水平预制裂纹和竖直预制裂纹的介质裂纹扩展路径、速度、加速度和裂尖动态应力强度因子变化规律。试验结果表明:在爆炸应力波作用下,预制裂纹尖端起裂,并扩展。炸药爆炸后,主裂纹的扩展速度迅速达到峰值,之后开始振荡减小,其加速度呈现波浪起伏式的振荡变化。次裂纹起裂后速度增大至峰值,然后开始减小。主裂纹尖端的动态应力强度因子K_Ⅰ从峰值振荡减小,又振荡增加至第二个峰值,之后振荡减小。次裂纹尖端的动态应力强度因子K_Ⅰ达到最大时,次裂纹起裂,之后K_Ⅰ振荡减小。裂纹扩展的过程中K_Ⅱ基本都小于K_Ⅰ。     

动态爆生裂纹相互影响的试验研究

采用以有机玻璃(PMMA)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(0~110μs)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;Ⅱ阶段(110μs~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。     

相互贯通裂纹动态断裂的试验研究

为了研究动荷载作用下裂纹角度对相互贯通裂纹动态断裂特性的影响,采用动焦散试验系统进行了含预制裂纹的三点弯冲击试验。试验结果表明:两分支裂纹相互贯通,在动荷载作用下翼裂纹只会从与竖直方向夹角较小的分支裂纹尖端起裂扩展,当有一支分支裂纹起裂后,另一分支裂纹动态应力强度因子快速下降,试件内应变能重新分布;起裂的翼裂纹首先沿准竖直方向扩展,当扩展到试件约2/3高度后,翼裂纹扩展速度下降,扩展轨迹弯曲程度加大,I-II复合型断裂明显;分支裂纹起裂瞬间的KdI和KdII随着该裂纹与竖直方向夹角θ的增加而增大,其扩展的平均速度随着夹角θ的增加而减小。     

基于分形理论不同装药量的爆破动焦散线实验研究

为研究装药量对爆生裂纹扩展行为的影响。采用透射式数字激光动态焦散线实验系统,分析了不同装药量的爆生裂纹扩展规律,并基于计盒维数的计算原理,编写MATLAB程序计算爆生裂纹的分形维数。结果表明:①起爆后裂纹扩展分2阶段,Ⅰ阶段(0～114.3μs)为爆炸应力波与爆生气体对裂纹尖端的作用,在裂纹的起裂时刻扩展速度达到峰值,随即迅速降低;Ⅱ阶段(114.3μs～裂纹止裂)在反射应力波对裂纹尖端的作用下,裂纹扩展速度继续提升;②裂纹扩展速度峰值、动态应力强度因子峰值、粉碎区面积、爆生裂纹分形维数与装药量正相关;③采用回归分析与线性拟合的方法,得到了裂纹扩展速度与裂纹扩展轨迹分形维数的线性关系,同一裂纹扩展速度的变化符合分形规律。     

含圆孔缺陷三点弯曲梁的裂纹扩展特性实验研究

采用动态焦散线实验系统,对含圆孔缺陷的PMMA材料进行冲击断裂力学实验,研究三点弯曲梁中不同直径和位置的圆孔缺陷对扩展裂纹的影响。实验结果表明:扩展裂纹与圆孔缺陷相互作用前,呈现Ⅰ型拉伸断裂,扩展路径平直;与圆孔缺陷相互作用后,贯通萌生的次裂纹沿直线继续扩展,未贯通的裂纹偏移扩展。扩展裂纹与路径上圆孔缺陷贯通过程中,裂纹扩展速度和动态应力强度因子快速降为零,裂纹的扩展受到抑制,且圆孔直径越大、距离越近,抑制作用越显著;贯通萌生次生裂纹的起裂速度和起裂韧度,随着圆孔缺陷直径的增大而变大。扩展裂纹与偏置圆孔缺陷相互作用过程中,当圆孔缺陷直径越大、偏置距离越小,裂纹起偏距离越短,最大偏移量越大,并且扩展裂纹动态应力强度因子和扩展速度局部小幅增大。研究结果为分析动态裂纹扩展特征和材料破坏模式提供借鉴。     

单向围压作用下切缝药包爆破爆生裂纹扩展规律的研究

为了研究单向围压作用下切缝药包爆破爆生主裂纹的动态力学行为,采用新型数字激光动态焦散线实验系统开展多组爆破光测实验,同时使用LS-DYNA有限元软件分析初始应力对爆炸应力场的影响。结果表明:裂纹的扩展方向和延伸长度受控于切缝角度和压力的共同作用,当压力垂直和平行切缝方向时,分别能够抑制和促进爆生主裂纹的萌生及演化,降低和提升扩展速度及动态应力强度因子,当压力与切缝成一定角度时,主裂纹偏向压力方向扩展,动态力学参数减小。数值分析结果显示,当压力分别垂直和平行切缝方向时,初始围压静加载在环向形成压缩和拉伸预应力,能够降低和提高爆炸冲击在环向的拉伸作用,从而削弱和增强爆炸荷载的冲击致裂能力。     

爆炸荷载下缺陷介质裂纹扩展规律数值分析研究

利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统,同时借助ABAQUS有限元分析中内聚力模型数值计算方法,研究了爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展规律,并将试验结果与数值计算结果进行了对比。研究表明:在爆炸应力波作用下预制缺陷两端产生了两条翼裂纹A、B,扩展长度基本相同,方向垂直于预制缺陷。两条翼裂纹的扩展基本是对称的,只是在尾端发生轻微翘曲;翼裂纹扩展速度先增大至峰值又振荡减小,之后又增大至第二个较小的峰值,然后又减小,这种变化趋势和裂纹尖端应力强度因子KⅠ保持一致;扩展角β为85°时,计算结果较为接近试验,内聚力模型为动态裂纹扩展的研究提供了一种有效的方法。     

深部岩石爆破主裂纹扩展方向与地应力的关系EI北大核心CSCD

岩石巷道掘进爆破表明,高地应力环境下的岩石破坏与低地应力条件下或浅埋岩体下的岩石破坏有所不同。其中,地应力对爆破主裂纹的扩展方向影响较大。该研究利用一种符合硬岩力学特性的透明模型相似材料,开展双向荷载作用下透明岩石爆破相似模型试验,研究初始地应力作用下岩石爆生裂纹扩展的规律。试验结果表明:具有初始静载作用的试件,其径向主裂纹的扩展由无初始应力时的放射状转变成沿着主应力方向扩展;径向裂纹的扩展长度和数量均随侧压力系数的增加而逐渐减小;最长径向主裂纹扩展方向与最大主应力方向的夹角随着侧压力系数的增大而逐渐增大。同时,基于爆炸力学、弹性力学和应力波理论,建立可定量描述初始地应力与爆破主裂纹扩展方向关系的等式,即tan φ=σ_(x)/σ_(y)(0≤φ≤45°)。由计算式所得主裂纹扩展方向与地应力方向的夹角和物理模型试验所得基本一致,这对理解高地应力条件下岩石爆破破裂机理具有重要的现实意义。     

束状炮孔爆破倾斜张开节理的动态断裂特性研究

采用动态焦散线实验和ABAQUS数值模拟,对束状炮孔柱部区域和端部区域节理处裂纹的动态断裂特性进行了研究。结果表明,在炮孔柱部区域,初始爆炸应力波在张开节理处产生透射波与绕射波并与其相互叠加,节理端部产生拉剪应力集中形成翼裂纹,垂直于节理面起裂扩展。且节理近端翼裂纹扩展速度、扩展长度和裂纹尖端应力强度因子较节理远端处翼裂纹的相应值大。而次生裂纹是爆炸应力波在试件边界处产生的反射拉伸波与倾斜张开节理相互作用起裂的,并沿水平方向扩展。远端次生裂纹的起裂韧度约为翼裂纹的0.5倍,且由于反射波较弱,次生裂纹的扩展长度远小于翼裂纹。炮孔端部区域翼裂纹和次生裂纹是在倾斜张开节理处的反射拉伸波和绕射波与倾斜张开节理的相互作用下先后起裂的,翼裂纹偏向炮孔方向起裂,并向相反方向扩展,而次生裂纹近似沿着爆炸应力波的传播方向扩展。     

动焦散线在爆炸裂纹扩展试验研究中的应用

爆炸裂纹的动态扩展问题是爆炸力学研究的热点。本文建立了爆炸加载的动焦散线测试系统,解决了试验中的有效光学图片获取、精确同步控制等问题,为进一步定量分析爆炸裂纹扩展规律提供了一种新的有效实验方法。采用爆炸加载的透射式动焦散实验系统,初步研究了爆炸载荷下的裂纹起裂、发展和止裂的动态扩展行为,分析其破坏模式和动态应力强度因子、裂纹扩展速度的变化,并研究了爆炸裂纹穿过有机玻璃板的人工层理的规律。