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。     

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。     

单向静压下柱状炮孔端部爆生裂纹的扩展规律

高地应力对岩层地下工程爆破动态断裂过程有重要影响。采用数字激光动态焦散线测试系统,研究了不同单向静压下柱状炮孔端部爆生裂纹动态断裂行为,明确了柱状炮孔端部爆生裂纹的扩展规律。结果表明:单向静压越大,端部裂纹平均扩展长度越短,但单向静压下端部裂纹尖端积聚能量的快速释放会导致裂纹初始扩展速度提升;裂纹尖端应力强度因子基本随单向静压增加而递减,单向静压越大,应力强度因子随时间下降越剧烈,裂纹的止裂韧度越高,止裂时间越早;单向静压作用下的爆生裂纹在整个扩展阶段基本表现为I型裂纹,无静压作用下爆生裂纹在扩展初期表现为I型裂纹,中后期表现为复合型裂纹。研究结果对认识静压作用下的柱状炮孔端部破坏机理具有一定意义。     

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。     

微差爆破的爆生裂纹扩展特性试验研究

以有机玻璃为模型材料,采用新型数字激光动态焦散线实验系统,研究了延时为20μs和40μs的微差爆破爆生主裂纹扩展特性,比较了试件破坏形态和破坏过程的差异,分析了爆生主裂纹扩展过程中的偏转角度、扩展速度和动态应力强度因子等物理量随时间的变化关系。结果表明,延时为20μs的爆生主裂纹的竖向偏移值明显大于延时为40μs的情况。延时时间的不同对爆生主裂纹动态应力强度因子的第一次峰值没有明显影响,但对其第二次峰值影响显著。此外,两个或多个切槽炮孔同向并排起爆会使得爆生主裂纹的扩展偏离切槽方向,影响定向断裂效果,应尽量避免。     

含倾斜裂纹三点弯动态断裂试验研究

为研究冲击荷载下巷道围岩不同角度径向裂纹的破坏机制,采用落锤冲击加载平台和数字激光动态焦散线实验系统,以有机玻璃为试验材料,设计冲击荷载下半圆孔上不同角度裂纹的三点弯动态断裂试验,记录预制裂纹的角度α的改变对裂纹动态力学行为的影响,通过分析动态应力强度因子和裂纹扩展轨迹的分形维数对实验现象进行归纳总结。研究发现:①预制裂纹角度对裂纹尖端应变能的积累和释放的快慢有较大影响,随着角度的增大,起裂时间变短,起裂更容易,裂纹尖端应变能积累的更快;②裂纹尖端应变能释放的快慢在α=45°两侧表现出不同的规律;③不同角度裂纹的Ⅰ型动态应力强度因子随时间的变化规律具有相似性,但最大值却具有差异性;④不同角度裂纹的扩展轨迹满足一定的分形规律。     

爆炸载荷下空孔缺陷与爆生裂纹扩展行为研究

空孔在岩石巷道直眼掏槽爆破中具有重要作用,为研究空孔及其缺陷在爆炸荷载作用下的扩展行为和作用机理,以PMMA代替岩石材料,利用预制裂纹代替空孔缺陷,借助动态焦散线系统和理论分析为手段,研究不同间距下空孔、空孔处预制裂纹、爆生裂纹动态扩展规律及机理,分析不同"径距比"与掏槽效果的关系。研究结果表明:在装药量一定的情况下,随着炮孔与空孔距离的变化,爆生裂纹扩展距离呈现递增而预制裂纹扩展距离呈现递减的趋势,但都存在极值;当炮孔与空孔距离较小时,爆生裂纹和预制裂纹扩展及相互作用最复杂,爆生裂纹扩展经历由压缩应力波为主,表现为直线的前期扩展;由空孔处发射应力波和压缩应力波共同作用下,爆生裂纹偏离炮孔与空孔连心线的中期扩展,以及由空孔应力集中区作用使爆生裂纹向空孔方向偏移的后期阶段;预制裂纹扩展经历由空孔处应力集中作用下,表现为直线的前期扩展,以及由爆生裂纹处反射拉伸波作用使其向爆生裂纹发展的后期阶段;当炮孔与空孔距离较大时,反射应力波及应力集中效应对爆生裂纹和预制裂纹扩展在减弱,爆生裂纹与预制裂纹扩展行为仅有前期直线扩展阶段。"径距比"的大小对爆破效果影响较大,直眼掏槽爆破应以最优"径距比"作为掏槽爆破参数设计的依据。     

冲击荷载下深梁动态断裂行为的光弹性实验

采用动态光弹性实验方法,对简支深梁进行冲击实验,研究其冲击动态断裂行为。实验得到了冲击断裂过程中深梁的等差条纹变化图片,分析了冲击荷载下裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。研究结果表明:由于应力波的作用,在试件开裂前,预制裂纹尖端应力强度因子KdI始终呈波动上升的趋势,最大值为1.995MPa·m~(1/2);试件起裂后,裂尖动态应力强度因子KdI先迅速下降,然后保持在1.222~1.677 MPa·m~(1/2)内震荡,平均值为1.458 MPa·m~(1/2);裂纹起裂后,扩展速度先迅速增大,后保持在310~380 m/s,动态裂纹基本呈匀速扩展,平均扩展速度为345.703 m/s。     

爆生裂纹与层理缺陷相互作用的实验研究

为了研究爆生裂纹与层理缺陷的相互作用机制,采用新型数字激光动态焦散线实验方法对含层理岩体在爆炸载荷下的动态断裂行为进行了实验分析。实验结果表明:在爆炸载荷下,当炮孔切槽方向与层理面存在一定夹角θ时,爆炸使层理岩体裂纹扩展分为爆生主裂纹、界面裂纹、次生裂纹三个阶段;爆生主裂纹扩展到层理面后,不是直接贯通层理面沿原方向继续扩展,而是产生界面裂纹之后再继续扩展,产生的界面裂纹长度随夹角θ增大而减小;裂纹扩展贯通层理后,次生裂纹继续扩展,随夹角θ的增大,次生裂纹扩展长度逐渐增大;爆生主裂纹扩展过程中,随着爆生主裂纹尖端至层理面距离的减小,爆生主裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度均逐渐减小,说明层理面对爆生主裂纹的扩展起阻碍作用,且夹角θ越大阻碍作用越明显。实验研究分析了不同角度层理构造缺陷对裂纹扩展规律的影响。     

节理对爆生裂纹扩展影响的试验研究

采用模型试验方法,结合新型数字激光动态焦散线试验系统,比较了不同炮孔与节理间距下节理处起裂的动态行为,研究了节理对爆生裂纹扩展的影响。结果表明,由于节理结构的细观差异,试件的破坏形态表现出多样性。根据节理处起裂时段的差异,节理处起裂形式有2种,形式Ⅰ:在爆生裂纹扩展至节理之后,节理处起裂并扩展;该种起裂形式下,爆生裂纹对节理的直接作用是节理处起裂的主要原因,炮孔到节理的距离对节理处起裂裂纹的偏移距离影响不大。形式Ⅱ:在爆生裂纹扩展至节理之前,节理处已经起裂并扩展;该种起裂形式下,爆炸应力波对节理的作用是节理处起裂的主要原因。节理处裂纹的整体偏移范围由这两种起裂形式决定。试件的不同破坏形态在裂纹扩展的应力特征上表现出差异性和复杂性。     

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。     

冲击载荷下双预置裂纹三点弯曲梁动态断裂实验

采用数字激光焦散线实验系统,对双预置裂纹三点弯曲梁进行了动态冲击实验,分析了双预置裂纹对试件裂纹尖端扩展速率和动态应力强度因子值的影响。实验结果表明:1双预置裂纹三点弯曲梁在动态冲击实验中,B裂纹作为开裂裂纹,其起裂时间和扩展速率峰值受到冲击载荷加载点与其预置位置之间水平距离值的影响,距离越小,起裂越快,扩展速率峰值越大;2试件开裂后,裂纹的裂纹扩展速度和动态应力强度因子值随时间的变化曲线均具有快速上升然后波动下降的规律;3B裂纹起裂所需能量随着A、B裂纹间距a值减小而增大。     

低渗煤层预裂爆破裂纹扩展规律数值模拟研究

针对低透气性煤层实施深孔预裂爆破过程中爆炸应力波和爆生气体作用下裂纹扩展范围和规律现场难以测量的问题,采用理论和数值模拟相结合的方法,对低渗透煤层进行单孔和双孔预裂爆破数值模拟,得到了不同爆破参数下应力、压力和单位质量塑性功等物理量动态变化规律和裂纹扩展范围,分析了深孔预裂爆破裂纹扩展规律和煤体在高温高压爆生气体及应力波作用下破坏区域的演化规律。炸药在煤体内爆炸的瞬间,产生的压力远大于煤体所能承受的动态抗压强度,煤体被破坏形成爆破空腔,当爆炸冲击波在孔壁上产生初始径向裂隙后,爆生气体楔入裂隙中使其继续扩展,在煤体内形成粉碎区、裂隙区、震动区,揭示了煤层在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理。     

含不同张开角度裂纹结构的动态断裂试验研究

不同结构的动态断裂行为受多个因素影响,其中裂纹缺陷对其影响最为显著。张开型裂纹是工程结构中十分常见的缺陷,而且张开角度往往并不固定。为研究结构的运动裂纹与不同预制角度裂纹相互作用的规律,以张开角度为单一变量,采用动态焦散线试验系统,在冲击荷载下对含不同张开角度裂纹的有机玻璃试件进行三点弯试验。研究发现：裂纹扩展经过不同张开角度的预制裂纹时,都会先扩展至预制裂纹夹角尖端,再从预制裂纹其中一端重新蓄能起裂,然后偏向落锤点方向扩展,最终贯穿整个试件;开口向上的预制裂纹会增加运动裂纹的扩展时长,而且预制裂纹的开口角度越大,对裂纹扩展产生的迟滞效应越大,裂纹贯穿试件的总时长越大;与预制裂纹相互作用阶段,动态裂纹都会先减速后增速至峰值,预制裂纹角度越大,裂纹扩展速度峰值越小,且当预制裂纹角度为180°时的峰值与无预制裂缝试件的峰值非常接近;运动裂纹再次从预制裂纹尖端处起裂时裂纹尖端应力强度因子迅速大幅增加后又迅速减小直至试件完全断裂。     

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。     

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。     

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。     

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。     

动态加载率对巷道内裂纹扩展速度及动态起裂韧度的影响

在巷道的钻爆法掘进过程中,巷道围岩周围将诱发较多的径向裂隙。为了研究不同冲击载荷作用下巷道内裂纹扩展速度及起裂韧度的变化规律,采用落锤冲击试验机对裂纹巷道模型试件进行冲击加载,模型试件选用青砂岩制作;试验中,采用裂纹扩展计进行裂纹扩展速度及起裂时间的测定,对不同冲击高度下裂纹扩展速度及起裂时间进行分析;随后采用ABAQUS有限元程序结合试验-数值法计算巷道模型试样在不同动态加载率作用下的动态起裂韧度,并对起裂韧度的变化规律进行统计分析。得出如下结论:①巷道内预制裂纹的扩展速度随着动态加载高度的增加而增大,随后逐渐趋于稳定,实测裂纹扩展速度略小于0.38倍砂岩纵波波速;②巷道内预制裂纹的起裂时间,随着动态加载率的增加呈缓慢下降的趋势,降低幅度范围约为50μs;③随着动态加载率的增加,巷道内裂纹的动态起裂韧度逐渐增大,上升趋势也逐渐加大。