岩石爆破裂纹扩展遇介质缺陷的试验与分析

文献[50]采用透射式焦散线测试系统，进行爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展试验，研究了含与炮孔共线的预制裂隙介质裂纹扩展速度、加速度、裂纹尖端动态应力强度因子和动态能量释放率的变化规律及它们之间的关系。

1. 试验材料

试验材料为有机玻璃（PMMA），尺寸为400 mm×400 mm×6 mm，有机玻璃试件的动态力学参数详见表7-3 所示。

表7-3　有机玻璃试件的动态力学参数

2. 试验模型及模型预制裂隙和炮孔的位置图

试验模型及模型预制裂隙和炮孔的位置如图7-25 所示。

为了研究爆炸应力波与预制裂隙的相互作用，预制裂隙贯穿板厚长4 cm，与炮孔壁裂隙近端距为5 cm。设置延迟和控制器幅间隔延迟时间为100 μs，幅间隔时间在1～30 μs，用来实现爆炸加载的炸药为叠氮化铅，炮孔直径4 mm，药量200 mg。

3. 试验结果与分析[49]

（1）试验结果图7-26 为含预制裂隙为4 cm 爆生裂纹扩展轨迹图，图7-27 为含预制裂隙为4 cm 翼裂纹尖端动态焦散斑系列图像。

图7-25　模型预制裂隙和炮孔的位置图

图7-26　裂隙l=4 cm 介质爆生裂纹扩展图[50]

图7-27　动态集散班系列图像（t =4 cm）[50]

（2）试验结果分析。(www.xing528.com)

① 从图7-26 很直观地看到与裂隙共线的炮孔爆破后在裂隙两端产生了两条翼裂纹A、B，翼裂纹A 的长度大于翼裂纹B 的长度，两条翼裂纹向相反的方向扩展，它们基本与预制裂隙共线，只是在尾端发生稍微弯曲[49]。

② 从图7-25 可以看出，炸药爆炸后，爆炸应力波瞬时达预制裂隙的A 端，并在A 端出现集散班。在爆炸应力波的作用下，t=50 ms 时左右预制裂隙形状发生变化，应力波条纹在裂隙处出现紊乱现象。从图还可以直观地看到裂隙两端产生的翼裂纹尖端动态集散斑直径大致随时间的变化规律。

4. 小结[50]

（1）在爆炸应力波作用下裂隙两端产生了两条翼裂纹A、B，翼裂纹A 的长度大于翼裂纹B 的长度，两条翼裂纹向相反的方向扩展，它们基本和预制裂隙共线，只是在尾端发生稍微弯曲。

（2）在翼裂纹扩展过程中，存在着加速与减速的过程，翼裂纹扩展速度瞬间达到峰值，其后逐渐振荡下降（图7-28）。

图7-28　裂纹扩展速度和加速度的变化曲线（l=4 cm）[50]

（3）动态应力强度因子也呈现瞬间达最大值到逐渐减小连续振荡变化的趋势；动态应力强度因子大于（图7-29）。

图7-29　应力强度因子-时间曲线（l=4 cm）

（4）图7-30 所示为裂隙尖端动态能量释放率与时间的关系。在爆炸载荷作用下，裂隙未起裂前，动态能量释放随时间的增加呈现递增关系，这是由于系统势能逐步转化为弹性应变能的结果，此时的裂纹保持相对静止，储存于裂纹尖端的弹性能，在起裂瞬时间突然释放，导致能量释放率突然下降。

图7-30　动态能量释放率与时间的变化关系

（5）爆炸应力波作用下翼裂纹尖端的动态能量释放率对裂纹扩展有驱动作用；动态能量释放率反映了裂纹扩展的瞬态特性及其裂纹尖端的动力响应，可以用于描述裂纹的动态模式（图7-31）。

图7-31　动态能量释放率与动态应力强度因子的变化关系[50]