动光弹性法试验切缝药包爆炸聚能效应的效果与切缝宽度相关性分析

1. 试验原理及设备类型

动态光弹性法的基本原理，是利用了光弹模型受外力作用后，模型材料将产生的双折射效应，从而可在圆偏振光场中得到等差条纹图。对于明场，其黑条纹是半数级条纹，亮条纹则是整数及条纹。根据动态条件下的应力-光学定律及弹性力学，模型中条纹级数N 与模型中主剪应力 τmax之间存在下式关系[1]：

其中： fd是该材料的动态条纹值；h 为模型的厚度。

因此，等差条纹反映了模型内剪应力的传播和变化过程。由岩石力学和爆炸力学知，岩石等脆性材料在爆破时主要是剪切破坏，因此可以通过分析爆炸时模型内的等差条纹图，来研究剪应力的变化过程，从而搞清切缝宽度对爆炸聚能效应的影响。

试验在多火花式GGDS-Ⅱ型动态光弹仪上进行。

2. 试验结果与分析

由公式（13-21）知，等差条纹级反映的是该点最大剪应力（即主剪应力）的大小。据此，我们可以由序列等差条纹图（略见参考文献）判读出不同时刻的炮孔在切缝处的条纹级次，并根据式（13-21）计算出的最大应力值。据此，可导出炮孔在切缝处的最大剪应力时程曲线和回归公式，以比较不同切缝药包的聚能效应。而且，由于爆生气体从药包中泄出开始卸载后，孔边应力也迅速下降而形成卸载波。因此只有取爆生气体外泄前的条纹图分析才有意义。由式（13-21）和给定力学参数，可得

表13-3 列出了三种切缝宽度药包在不同时刻炮孔切缝处的条纹级次及根据式（13-22）计算的剪应力值。

表13-4 列出了2 μs 时沿切缝方向等差条纹及相应的主剪应力值。

表13-3　三种切缝宽度药包在不同时刻炮孔切缝处的条纹级次及剪应力值

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表13-4　2 μs 时沿切缝方向等差条纹及相应的主剪应力值

由图13-13 可见，随着离炮孔的距离增大，1 mm 切缝宽度的曲线衰减速度最快，1.5 mm的次之，2 mm 的最慢，这说明了切缝宽度越小，最大剪应力衰减得越快，应力集中程度越高，因此其聚能效应也越大，切缝的效应也越明显。

3. 小 结

综合以上的分析，可以得到如下结论：

（1）切缝药包爆炸时，三种不同切缝宽度药包爆炸初期的应力集中系数分别为2.40、1.56、1.12。

（2）比较炮孔切缝处最大剪应力时程曲线，可知切缝宽度减小，产生的应力峰值增大，产生应力峰值的时刻提前，应力的作用时间变短，这说明在装药条件相同的前提下，切缝宽度小，爆生气体对切缝处炮孔的作用时间短，冲击力大，聚能效应更明显，因而破坏威力也更大。

图13-13　三种切缝药包2 μs 时切缝方向主剪应力曲线

（3）比较爆炸初期炮孔沿切缝方向最大剪应力曲线，可知随着离炮孔的距离增大，切缝宽度越小，最大剪应力衰减得越快，应力集中程度越高，因此其聚能效应也越大，切缝的效应也越明显。

（4）因此，在三种切缝宽度药包的爆炸聚能效应中，1 mm 宽切缝的聚能效应最明显，爆炸破坏效应也最好，1.5 mm 宽切缝的次之，2.0 mm 宽切缝的最差。

（5）本节只是机理性研究，对于更深入的探讨，如切缝宽度的优化等，有待进一步深入的研究。