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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

冲击作用下静止裂纹与运动裂纹相互作用的试验研究

为了研究静止裂纹与运动裂纹相互作用机制,采用数字激光动焦散系统进行了含不同长度预制裂纹的冲击试验。试验结果表明:竖向主裂纹起裂时的应力强度因子和起裂时间均随水平主裂纹长度增加逐渐减小,水平主裂纹长度越长竖向主裂纹更易起裂;竖向主裂纹朝水平主裂纹扩展阶段,其翼裂纹的应力强度因子均值和扩展速度峰值、均值均随着水平主裂纹长度增加而降低;翼裂纹与水平主裂纹汇聚后,在水平主裂纹停滞的时间和水平主裂纹起裂时的应力强度因子均随着水平主裂纹长度增加呈现先减小后增大趋势。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

主动围压下岩石爆炸动态响应数值模拟

针对深部岩石在爆破作用下的失效机理和破坏过程,基于ANSYS/LSDYNA软件,在水平方向和竖直方向进行围压约束来模拟岩石受到的地应力作用。选取单向围压、等值双向围压和非等值双向围压对中心孔爆破下岩石动态响应进行研究。将数值模拟结果与模型实验结果对比,分析爆炸应力波的传播过程,并讨论了不同围压约束对爆炸后裂纹扩展的影响。结果表明,初始围压作用对爆炸应力波的传播影响较小;初始围压会抑制爆破裂纹扩张;竖直方向围压主要抑制水平方向裂纹扩张,水平方向围压主要抑制竖直方向裂纹扩张。     

压缩载荷下闭合斜裂纹的分支裂纹渐近扩展分析

采用滑动裂纹模型并结合现有张开斜裂纹的I 型分支裂纹扩展特性的研究成果,研究了闭合斜裂纹的I型分支裂纹的渐近扩展特点,结果表明：1) 闭合斜裂纹的I 型分支裂纹路径的渐近线为平行于最大主应力的一条直线,并得出了渐近线方程;和张开斜裂纹的翼型裂纹不同,闭合斜裂纹的翼型裂纹路径的渐近线不一定过初始裂纹中心点,该渐近线位置与初始裂纹面的摩擦系数、初始裂纹长度及初始裂纹角有关;2) 闭合斜裂纹的I 型分支裂纹的扩展路径可以近似采用双曲线描述,并得出了描述I 型分支裂纹扩展路径的方程.采用ABAQUS 二次开发对闭合斜裂纹的分支裂纹的扩展过程进行了数值模拟,并采用数值模拟和现有试验相结合的方法验证了以上结论的正确性.     

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。     

Study of mode I crack dynamic propagation behaviour and rock dynamic fracture toughness by using SCT specimens

To study crack dynamic propagation behaviour and rock dynamic fracture toughness, a single cleavage triangle (SCT) specimen was proposed in this paper. By using these specimens and a drop‐weight test system, impact experiments were conducted, and the crack propagation velocity and the fracture time were measured by using crack propagation gauges. To examine the effectiveness of the SCT specimen and to predict the test results, finite difference numerical models were established by using AUTODYN code, and the simulation results showed that the crack propagation path agrees with the test results, and crack arrest phenomena could happen. Meanwhile, by using these numerical models, the crack dynamic propagation mechanism was investigated. Finite element code ABAQUS was applied in the calculation of crack dynamic stress intensity factors (SIFs) based on specimen dimension and the loading curves measured, and the curves of crack dynamic SIFs versus time were obtained. The fracture toughness (including initiation toughness and propagation toughness) was determined according to the fracture time and crack speeds measured by crack propagation gauges. The results show that the SCT specimen is applicable to the study of crack dynamic propagation behaviour and fracture toughness, and in the process of crack propagation, the propagation toughness decreases with crack propagation velocity, and the crack arrest phenomena could happen. The critical SIF of an arrest crack (or arrest toughness) was higher than the crack propagation toughness but was lower than the initiation toughness.     

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。     

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。