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。     

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。     

不同切槽孔方向爆生裂纹扩展行为试验与分析

为研究炮孔不同切槽方向对爆生主裂纹动态扩展行为的影响,采用数字激光动态焦散线实验系统,研究了5种不同切槽方向时爆生裂纹扩展及相互影响规律。研究结果表明:1切槽方向夹角角度不同,爆生主裂纹的扩展轨迹有明显差异。2切槽方向夹角度数越大,则在爆生主裂纹扩展中期裂纹扩展速度越大。3切槽方向夹角为90°,135°,180°试件的爆生主裂纹尖端KdI会出现第2次峰值。     

中间起爆柱状药包爆炸应力应变场演化规律

结合动态焦散线、超动态应变测试和数值分析方法,对中间起爆柱状药包爆炸材料中的应力应变场以及爆生裂纹尖端局部应力场的演化规律进行了研究。3种分析方法得到的结论具有一致性。由焦散线方法可得,中间位置起爆柱状药包中垂线方向、端部垂线方向、端部轴向和端部倾斜方向主应力差值依次减小,各方向近炮孔圆孔处主应力差最大值分别为50.9,29.9,15.3和13.3 MPa,端部效应明显。由于爆炸应力波迅速衰减,圆孔处主应力差值差异随距离炮孔距离的增加逐渐减小。利用小圆孔可有效的对裂纹影响大小和影响范围进行测量,当爆生裂纹扩展到圆孔附近时,受爆生裂纹尖端局部应力场的影响,圆孔处焦散斑呈增大趋势,随着裂纹的不断扩展,其圆孔处焦散斑方向随之不断变化。由超动态应变测试方法可得:炮孔柱部由于应力波的叠加,垂直炮孔方向应变持续时间为40 μs,主要表现为压应变,炮孔端部轴向应变持续时间为10 μs,首先表现为压应变,随后转为拉应变并持续了较长时间。数值模拟得到了炮孔周围4个方向应力衰减的拟合曲线,弥补了实验方法不能测得炮孔近区应力应变场演化规律的缺陷。中间起爆柱状药包显著改善了沿炮孔轴线爆炸应力场的均匀程度,有利于岩石的破碎,从而提高炮眼利用率,减少岩石大块率。     

切槽定向断裂控制爆破的数值模拟研究

针对切槽定向断裂控制爆破进行了ABAQUS数值模拟研究,采用内聚力模型(CZM)成功模拟了爆生主裂纹的起裂和扩展过程。数值模拟结果表明,炸药起爆后,切槽炮孔在20μs时首先在切槽尖端产生损伤,在25μs时产生爆生裂纹,并在130μs时扩展至模型边界;炮孔切槽周围形成了较强的拉伸应力区,拉应力使爆生裂纹沿切槽方向优先起裂扩展,切槽方向的最大主拉应力峰值随时间呈先增大后减小的趋势;而在非切槽方向形成了压应力区,压应力的存在限制了非切槽方向裂纹的张开;切槽方向拉应力区形成的裂纹生长区和非切槽方向压应力区形成的裂纹抑制区的共同作用,使爆生裂纹沿切槽方向起裂、扩展,并最终形成断裂面。     

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。     

冲击载荷作用下材料I型动态断裂行为研究

利用焦散线实验对含预制裂纹半圆盘试件在落锤冲击载荷作用下的断裂行为进行了研究,采用实验-解析法测定了试件受到的落锤冲击载荷的变化情况。实验结果表明：在裂纹起裂前,作用于试件上的冲击力总体表现为不断增大的趋势;当试件受到的冲击力达到最大值4.8KN之后,裂纹起裂并迅速扩展;裂纹起裂后,冲击力开始不断下降。在冲击载荷作用下,裂纹尖端的应力强度因子在起裂后会出现瞬间减弱的现象,这与裂纹尖端大量的微裂纹被“活化”有关系;但随着裂纹的继续扩展,裂纹尖端的应力强度因子又再次上升。裂纹的扩展速度在起裂后的扩展过程中基本保持匀速扩展,仅在距离边界一定范围内才出现快速下降的现象。     

冲击载荷作用下材料Ⅰ型动态断裂行为研究

利用焦散线实验对含预制裂纹半圆盘试件在落锤冲击载荷作用下的断裂行为进行了研究,采用实验-解析法测定了试件受到的落锤冲击载荷的变化情况。实验结果表明:在裂纹起裂前,作用于试件上的冲击力总体表现为不断增大的趋势;当试件受到的冲击力达到最大值4.8kN之后,裂纹起裂并迅速扩展;裂纹起裂后,冲击力开始不断下降。在冲击载荷作用下,裂纹尖端的应力强度因子在起裂后会出现瞬间减弱的现象,这与裂纹尖端大量的微裂纹被"活化"有关系;但随着裂纹的继续扩展,裂纹尖端的应力强度因子又再次上升。裂纹的扩展速度在起裂后的扩展过程中基本保持匀速扩展,仅在距离边界一定范围内才出现快速下降的现象。     

爆生气体在光面爆破中的作用

本论述了爆炸应力波、爆生气体准静态压力在爆破破裂过程中的作用，作认为，当应力波越过径向裂纹尖端后，爆生气体准静态压力在光面爆破破裂过程中的作用是主要的，运用有限单元法计算在爆生气体准静态压力作用下炮孔周边径向裂纹的应力强度因子K1，并绘出了径向裂纹尖端周围应力的分布情况，分析研究了渗入到径向裂纹中的爆生气体对径向裂纹扩展的影响，以及径向裂纹数量、长度、空孔、自由面对径向裂纹扩展的影响和长裂纹对短裂纹扩展的影响。所得结果可供分析光面爆破机理和进行光面爆破设计时参考。     

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。     

含倾斜边裂纹岩石冲击断裂模拟试验

为模拟岩石在冲击荷载下,裂纹与加载方向不同角度情况下的断裂行为,利用透射式焦散线测试系统,采用单边切口三点弯曲梁试件,进行三点弯曲梁冲击断裂试验。研究结果表明：含倾斜边裂纹试件受到正应力和剪切力作用,裂纹为复合型裂纹,裂尖产生的焦散斑为复合型焦散斑;预制裂纹与加载方向的夹角变化时,动态应力强度因子、裂纹扩展时间以及裂纹扩展速度都随之变化;预制裂纹与加载方向的夹角增大时,裂纹扩展速度的最大值增大,裂纹扩展速度的振荡性增强;当荷载的加载方向与预制裂纹的方向一致时,裂纹起裂最快,裂纹为I型裂纹。冲击载荷方向与预制裂纹夹角增大时,扩展裂纹表现为复合型特征,动态应力强度因子KdⅡ表现越明显,其最大值随夹角的增大而增大。     

偏置裂纹对含双裂纹PMMA试件动态断裂影响效应研究

为研究含异长双裂纹试件中次裂纹偏置对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)试件动态冲击断裂行为的影响,采用数字激光动态焦散线系统和冲击加载平台进行动态焦散线试验.记录了裂纹的焦散斑图像和主裂纹的起裂时间.讨论了裂纹缺陷对主裂纹的起裂时间、裂纹扩展最大速度和裂纹尖端动态应力强度因子的影响.试验结果表明:β对主裂纹起裂时间的早晚和主裂纹扩展速度最大值产生了明显的影响,而且这种影响效应会由于主次裂纹位于PMMA试件中线的不同位置而表现出明显的差异性.主裂纹应力强度因子变化规律相似,但达到K最大值的时间表现出了差异.     

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。     

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。     

爆炸荷载对邻近巷道背爆侧裂纹的影响规律

为了探究爆炸应力波对邻近巷道背爆侧隐性裂纹的影响规律,采用爆炸加载透射式动态焦散线系统,进行了试验研究。试验结果表明:在爆炸荷载作用下,邻近巷道围岩中存在裂纹缺陷的背爆侧也成为主要扰动区,且扰动大小与裂纹距巷道距离和裂纹长度有关;当裂纹长度为5 mm,裂纹与巷道间距分别为2,3,4和5 mm时,裂纹扩展过程中动态应力强度因子变化曲线呈现相似的规律,即当裂纹与巷道贯穿后快速增大到第1峰值,然后在峰值上下持续振荡一段时间后减小到0,所不同的是,在峰值上下振荡性变化的持续时间和期间的最大值逐渐减小,最大值依次为1.651,1.572,1.419和1.346 MN/m3/2,这决定了裂纹远端的最终扩展位移对应为25.197,16.378,10.236和5.984 mm,呈逐渐减小的规律;裂纹与巷道间距的存在不仅对裂纹的扩展有一定的延迟作用,而且削弱了作用于裂纹远端的应力波能,并且这种延迟和削弱作用随裂纹与巷道间距的增大逐渐增强。     

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.     

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。     

含雁行裂纹砂岩静态加载速率效应实验研究

为研究裂隙岩体的静态加载速率效应,以含预制雁行裂纹砂岩为实验对象,测试了不同加载速率下试样的力学性质、破裂模式、能量耗散及声发射响应特征,综合声发射定位和裂纹扩展演化录像,分析了裂纹扩展演化过程及加载速率效应机制。结果表明:(1)裂隙砂岩受载过程存在着明显的静态加载速率效应。随着加载速率的升高,试样峰值强度、峰值应变、起裂应力、峰值处积累的弹性能和声发射计数峰值均逐渐增大但增幅放缓,弹性模量呈现出先增大后减小趋势,累计声发射总计数则逐渐减小。(2)试样新裂纹的起裂萌生均对应着应力的局部下降、耗散能的突升及声发射的高值响应。(3)加载速率较小时,试样沿一条预制裂纹扩展、滑移而形成剪切型破坏;当加载速率较大时,试样最终破坏模式为裂纹岩桥贯通,并由裂纹外端沿与加载方向平行扩展而成的拉破坏。研究结果为深入认识煤岩动力灾害的力学响应机制及揭示其演化过程提供了有益的参考。     

爆炸载荷作用下相向裂纹扩展行为的实验研究

采用数字激光动态焦散线实验系统,研究爆炸载荷作用下两相向扩展裂纹的动态特征及其相互作用关系。结果表明:相向运动裂纹的扩展过程分为3个阶段:独立扩展、相互排斥、相互吸引,最终形成彼此勾连的形态,在实验范围内不受两裂纹初始竖向距离的影响而改变;裂纹在扩展过程中发生相互作用时其扩展速度发生突跃,此时两裂纹尖端的水平距离随裂纹初始竖向间距的增大而减小;随着两裂纹初始竖向间距的改变,两裂纹开始相互作用时其裂尖距都在56~70 mm之间;两裂纹竖向偏移距离最大位置对应于裂纹尖端水平距离为0的时刻,两相向运动裂纹初始间距越大,裂尖在竖向方向的偏移距离越小。