不同直径空孔对爆生裂纹扩展行为影响规律的实验研究

为得到空孔直径的改变对爆生裂纹扩展行为的影响规律,采用动态焦散线实验方法,研究了不同空孔直径情况下爆生裂纹扩展轨迹、扩展速度及裂尖动态应力强度因子的变化规律。研究结果表明:随着试件中三条爆生主裂纹的尖端相对距离的减小,裂纹尖端应力场的相互作用逐渐增强,使裂纹扩展速度增加并达到峰值;随着空孔直径的增大,裂纹扩展后期裂纹扩展速度和应力强度因子振荡效应减弱,有利于运动裂纹向空孔方向扩展;在一定范围内,空孔直径越大,空孔对爆生裂纹的导向作用越明显;随着空孔直径的增大,三条爆生裂纹在相互贯通之前,裂尖的动态应力强度因子发生突跃增大的趋势减弱。     

爆生气体驱动双共线Ⅰ型裂纹的扩展行为

在光面预裂爆破中相邻炮孔间的共线裂纹相向扩展时会先互相排斥后相互吸引,裂纹扩展路径呈“勾连”状现象。为解释这一现象,基于T应力修正后的最大拉应力准则,联合Abaqus软件与Hypermesh软件研究了爆生气体驱动相向扩展的双共线Ⅰ型裂纹的起裂和扩展行为。结果表明：模型尺寸(模型宽度W与高度H的比值)、初始裂纹尺寸(初始裂纹长度a和圆孔半径r的比值)和裂纹面上爆生气体压力对裂纹起裂行为的影响显著,Ⅰ型裂纹扩展中裂纹扩展路径出现“勾连”状现象的先决条件是“Ⅰ型裂纹起裂时或扩展中发生偏转”;裂纹面上的爆生气体减弱了Ⅰ型裂纹扩展中发生偏转的程度,使裂纹扩展路径更难出现呈“勾连”状的现象。通过裂纹增量扩展法模拟了裂纹扩展路径,Ⅰ型裂纹扩展会产生“勾连”状的裂纹扩展路径;裂纹扩展路径呈“勾连”状的现象与裂纹间的相互作用有关,该相互作用可通过裂纹扩展角θ的正负来表示。     

含偏置裂纹材料断裂韧性的焦散线实验测试

应用落锤冲击加载系统,对含偏置裂纹的半圆盘试件在冲击载荷作用下的动态断裂行为进行了实验研究.结果表明:随着预制裂纹偏置距离的增大,剪应力在裂纹尖端的作用增强,裂纹逐渐由I型向I-II复合型裂纹转变,裂纹起裂需要的时间也略有增加,裂纹在扩展过程中的曲裂程度显著增大;在动态载荷作用下,裂纹的扩展速度在起裂后迅速增大到某一值后呈现不断波动变化的特点,裂纹扩展的平均速度随偏置距离的增加逐渐减小,当裂纹扩展的归一化裂纹竖向长度λ>0.8时,由于冲击点处局部压应力场的影响,裂纹的扩展速度迅速降低;随着裂纹偏置距离的增大,材料的起裂韧性K_IC减小、K_IIC增大.随着裂纹的扩展,裂纹的扩展韧性有所增大.     

双孔爆炸应力波作用下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(DLDC),研究了两切槽炮孔爆破爆生主裂纹和由预制缺陷尖端衍生的次裂纹扩展的动态力学行为。研究结果表明,两切槽炮孔同时起爆后,爆生主裂纹没有相互交汇贯通而是止于预制裂纹断面处,表明缺陷对定向断裂控制爆破效果有着重要的影响;次裂纹与主裂纹并没有直接贯通,而是呈"勾连状"的止于对方裂纹面上。与水平预制缺陷相比,垂直预制缺陷对主裂纹的扩展影响更大,其次裂纹在拉伸应力场的作用下而以I型扩展;当膨胀P波与运动着的裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂尖动态应力强度因子都减小。     

切槽孔掏槽爆破机理动态焦散线实验研究

为研究切槽孔掏槽爆破爆生裂纹起裂、扩展及其与空孔相互作用机理,采用数字激光动态焦散线实验系统,对比分析了切槽孔与普通孔掏槽爆破裂纹扩展速度及动态应力强度因子的变化规律。实验结果表明：与普通孔相比,切槽孔掏槽爆破主裂纹在起裂阶段,应力强度因子出现最大值;扩展阶段,裂纹近似匀速稳定扩展,应力强度因子波动范围较小,整体数值较大;与空孔相遇阶段,3条主裂纹相互贯通,相应地产生3条次生裂纹,并与主裂纹相向运动,提高了各自的扩展速度和应力强度因子。空孔处破碎较严重,其补偿空间得到充分利用,有利于提高掏槽效率。     

冲击荷载下对称裂纹动态扩展规律研究

为研究冲击荷载下岩石等脆性材料中对称裂纹的断裂机理,利用数字激光动焦散试验系统,对含不同倾角对称初始裂纹有机玻璃板试件进行了冲击试验,研究了裂纹倾角对对称裂 纹 动 态 断 裂 力 学 行 为 的 影 响,并 利 用 有 限 元 程 序ABAQUS对试验进行了模拟.试验研究结果表明:裂纹扩展轨迹受试件中初始裂纹倾角的影响,初始裂纹倾角为６０°和９０°时,裂纹 扩 展 表 现 为 相 互 排 斥,初 始 裂 纹 倾 角 为 １２０°和１５０°时,裂纹在扩展过程中逐渐汇聚;Ⅰ型应力强度因子的变化规律受初始裂纹倾角的影响,裂纹起裂时刻的应力强度因子随初始裂纹倾角的增大而减小;初始裂纹倾角会影响裂纹尖端应变能累积和释放的快慢,当初始裂纹倾角为９０°时,起裂难度最小,裂尖应变能释放较为平缓;当初始裂纹倾角为锐角和钝角时,起裂难度加大,应变能释放都较为迅速.数值模拟研究表明:初始裂纹对称轴上的最大主应力与裂纹尖端到该点的距离呈负相关,模拟所得裂纹扩展路径与试验结果相符.     

爆炸荷载作用下径向裂纹动态行为实验研究

利用动态焦散线实验方法结合高速相机研究了爆炸应力波与爆生运动裂纹对先爆炮孔形成的定向裂纹缺陷动态行为的影响。研究结果表明:爆炸应力波P波前端压缩应力波使得裂纹面闭合应力强度因子降低,P波尾部拉伸波以及SV波使裂纹发生张开变形应力强度因子增大;裂纹面的不规则性以及张开裂纹厚度的突然变化使得SV波与静止裂纹相互作用过程中在裂纹面作用区域产生犬牙状焦散斑;运动裂纹尖端应力场有利于裂纹的起裂,裂纹起裂后在运动裂纹相互作用中两裂纹均会向相对裂纹裂纹面方向发生偏转形成勾连状裂纹。     

正入射爆炸应力波与运动裂纹作用的动态光弹性实验研究

采用动态光弹性实验方法,研究了正入射爆炸应力波对运动裂纹的作用效果。实验得到了运动裂纹与正入射爆炸应力波作用过程的光弹等差条纹变化图,分析了正入射爆炸应力波对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的影响效果,以及正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展轨迹的影响。研究表明:正入射爆炸应力波对运动裂纹扩展方向没有明显影响,但对运动裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度有显著时间相关性的抑制和增强作用;当正入射爆炸应力波P波前端压缩脉冲相与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子会受到抑制;当正入射爆炸应力波P波尾部拉伸脉冲相和S波与运动裂纹相互作用时,裂纹扩展速度和裂纹尖端应力强度因子则得到显著增强。     

冲击载荷作用下含孔洞缺陷介质断裂行为研究

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含孔洞缺陷和预制边裂纹的半圆盘试件进行了三点弯曲动态冲击实验。实验结果表明:在动态冲击载荷作用下,试件边裂纹处的应力集中程度较试件内部的孔洞缺陷处的应力集中程度更加显著;当孔洞位于裂纹前方时,孔洞对裂纹的扩展速度有抑制作用,且这种抑制作用随着孔洞与边裂纹尖端距离的增加有所减弱;当裂纹再次从孔洞处起裂时,裂纹的扩展速度和应力强度因子和裂纹与孔洞贯通前相比,均出现较大的上升,试件S1、S2中,裂纹扩展速度分别上升了1070%、138%,相应的裂纹尖端应力强度因子分别上升了61%、67%;裂纹的扩展速度与裂纹尖端的应力强度因子呈一定的正相关性,但受裂纹前方附近孔洞周围应力场的影响,裂纹尖端的应力强度因子有一定提高。     

相邻巷道围岩动态裂纹起裂与扩展行为研究

为研究冲击荷载下相邻巷道截面周边岩体动态裂纹起裂与扩展的力学行为特性,借助新型数字激光动态焦散线实验系统,使用类岩石介质材料PMMA制作双截面巷道模型进行冲击实验,并基于ABAQUS数值模拟平台对裂纹扩展过程进行仿真。结果表明:当相邻截面预制裂纹偏转角度分别为45°、22.5°、0°、-22.5°、-45°时,裂纹起裂时的动态应力强度因子不同。裂纹起裂后的动态应力强度因子变化有一个“平台段”,持续时间为160 μs左右; 当右侧裂纹逐渐远离左侧截面时,左侧裂纹起裂后的扩展速度会有所增大。双截面巷道动态裂纹起裂扩展时,相邻截面会在一定程度上影响动态应力强度因子和扩展速度。右侧裂纹尖端靠近左侧裂纹时,后者的起裂韧度降低,即较容易起裂。     

不同角度预制裂隙条件下双孔爆破裂纹扩展规律

隧道等地下工程爆破施工中,节理、裂隙等缺陷的存在往往对最终的爆破效果起到至关重要的作用,尤其倾斜缺陷存在时,超欠挖现象十分突出。基于含倾斜缺陷模型裂纹动态扩展的复杂性,采用新型数字激光动焦散线试验系统,在双孔同时起爆条件下,研究不同倾斜角度预制裂隙条件下爆生裂纹的扩展规律。研究结果表明:爆生主裂纹与衍生裂纹分别相向扩展,最终二者非直接相遇,而是以"勾连"形式贯通;裂纹扩展前期,爆生裂纹尖端同时受到压缩波及剪切波的作用,剪切波开始作用时间晚于压缩波,裂纹尖端主要以压缩波产生的拉应力作用而扩展,同一时刻爆生裂纹尖端应力强度因子K_Ⅰ大于K_(Ⅱ);裂纹尖端的裂纹扩展速度、应力强度因子及能量释放率等特征量整体呈先增大后减小的趋势。裂纹扩展后期,裂纹尖端主要受爆生气体的准静压作用,特征量呈振荡式变化;在一定范围内,随着预制裂隙倾斜角度的增加,特征量峰值更高,爆生主裂纹和衍生裂纹扩展的时间更长,扩展的距离更远;随着预制裂隙倾斜角度的增大,爆生主裂纹与衍生裂纹尖端之间最终围成的破坏面积更大,爆炸荷载与预制裂隙相互作用更加明显。本试验的研究成果为分析介质存在节理、裂隙等缺陷时,爆破裂纹扩展的物理过程提供了参考。     

不同节理间距条件下岩体双孔爆破动焦散试验研究

采用爆炸加载数字激光动态焦散线测试系统(DLDC),研究双孔同时起爆条件下3条平行预制裂纹的扩展行为及裂纹尖端应力强度因子的变化规律,分析预制裂纹间距对其扩展及断裂破坏的影响规律。研究结果表明:双孔同时起爆条件下,炮孔近端预制裂纹尖端应力强度因子均呈先增大后减小的趋势,表明爆炸荷载作用分为两个阶段:加载阶段和卸载阶段,其中卸载阶段裂纹尖端应力强度因子逐渐减小,但扩展速度较大,在爆炸过程中占主导地位;中间裂纹扩展效果明显的试样中,其尖端应力强度因子从峰值6.52×10~5N/mm~3/2逐渐减小,并且两组试样的中间预制裂纹尖端扩展方向不同,表明中间预制裂纹扩展属于卸载扩展,爆炸应力波对中间预制裂纹尖端扩展主要起导向作用,爆生气体在中间预制裂纹尖端扩展过程中占主导作用;中间预制裂纹尖端扩展效果受与其贯通的两条次生裂纹的垂直距离影响,距离越小,中间预制裂纹尖端扩展越充分。     

爆生气体对邻近硐室背爆侧预制裂纹影响机理

采用动态焦散线实验方法,研究爆炸荷载作用下邻近硐室背爆侧裂纹扩展规律时发现,伴随爆生气体释放出现的弧线型应力集中区是爆生气体引起的主应力差峰值位置,与背爆侧裂纹的扩展有较大的关联。实验研究表明:炸药爆炸后,产生的应力波首先作用于硐室背爆侧裂纹,随后爆生气体产生的准静态应力作用于裂纹,对裂纹的扩展起主要作用,而卸载波主要作用于裂纹扩展后期,使裂纹出现翘曲现象。当弧线型应力集中区接近扩展中的裂纹时,裂纹扩展速度达到峰值,约等于弧线型应力集中区的移动速度,之后,裂纹尖端与弧线型应力集中区的相对距离基本不变,当该应力集中区越过裂纹尖端,裂纹扩展速度逐渐减小,最终止裂。裂纹尖端动态应力强度因子与裂纹扩展速度具有相似的变化规律,峰值动态应力强度因子出现在弧线型应力集中区越过裂纹尖端之前。基于该发现进行的研究证实了爆生气体对邻近巷道裂纹扩展的主导作用,深化了爆炸荷载对邻近巷道影响机理的研究。     

压缩载荷作用下分支裂纹断裂与扩展的数值和实验研究

材料中裂纹形态比较复杂,有弯曲,交叉或者分支等等,通过数值和实验的方法研究了在压缩载荷作用下分支裂纹的断裂问题,考虑分支裂纹倾角和长度对应力强度因子和裂纹扩展的影响。结果表明：裂纹倾角的增加使I型应力强度因子减小,而裂纹长度的增大使应力强度因子增大,长度较大的分支裂纹对长度较小的有一定的抑制作用。通过对张开型分支裂纹和弯折裂纹砂岩试件的单轴压缩试验,发现砂岩试件的破坏形式主要是以I型翼型裂纹扩展为主,其起裂位置距离裂纹尖端的距离随着分支裂纹角度的增大而减小;分支裂纹倾角越大,其翼型裂纹起裂角就越小但相应的起裂载荷却越大。还对张开型裂纹和闭合型裂纹做了一定的比较,发现张开型裂纹的起裂角要大于闭合型裂纹的起裂角,但其起裂载荷却正好相反。     

动静载荷下巷道围岩裂纹扩展规律的试验研究

为了研究动静载荷耦合作用下巷道围岩裂纹的扩展规律,将PMMA材料加工成含有单裂纹的试件,利用爆炸加载动态焦散线测试系统进行了巷道围岩裂纹扩展规律的试验.研究表明,预制裂纹的扩展位移、试件损伤度以及试验围压之间存在密切联系:扩展位移与试件损伤度呈负相关的关系;损伤度随围压的增大呈现先增大后减小的变化规律;不同围压条件下,预制裂纹在等量爆炸载荷作用下均出现扩展和止裂交替变化的现象,但预制裂纹扩展位移随着围压的增大呈先减小后增大的变化规律,在0MPa围压下扩展位移有最大值30.84mm,在0.4MPa时扩展位移有最小值10.98mm.裂纹端部扩展速度与能量释放率关系较为密切:能量释放率增大时,扩展速度会相应增大;预制裂纹扩展速度减小后,受应力波影响,裂纹端部积累能量,能量释放率又会相应增大.     

切缝药包微差爆破爆生裂纹扩展机理

为了研究切缝药包微差爆破孔间裂纹的动态力学行为特征,采用新型数字激光动态焦散线测试系统进行4组微差起爆实验。研究结果表明:随着延迟时间的增长先爆炮孔产生的裂纹长度依次增加,其受应力波作用前的扩展距离占总距离的比例依次增高,裂纹的贯通点逐渐靠近后爆炮孔,呈"牵手"状分布;应力波正压区的压缩作用和负压区的拉伸作用分别能够降低和提升对面裂纹的扩展速度v,延迟时间越长,裂纹扩展速度降低后的峰值越低,提升后的峰值越高,爆炸应力波在对面裂纹尖端产生的压应力场会降低其动态应力强度因子KdI,延迟时间越长,峰值越小;裂纹相遇时,扩展速度v和动态应力强度因子KdI都呈现增大趋势,且相遇越早,速度峰值越大;当微差时间满足一定条件时,先爆炮孔产生的应力波在后爆炮孔孔壁附近形成拉伸应力场,有利于裂纹萌生。