切槽孔爆破的动光弹实验：解析与总结

1. 切槽爆破单孔实验模型参数

单孔实验采用环氧树脂板实验模型，其中，板厚6 mm，切槽深度l=2 mm，切槽角α =60°，槽尖曲率半径ρ =0.5 mm，采用不耦合装药，不耦合系数K=4.3，炮孔直径13 mm，药卷直径dc=3 mm。为保证边界条件相似，用夹制模型方法将炮孔夹紧，用502 胶水将导烟管黏在炮孔周围，使爆生气体作用保留并避免炮烟扩散。

实验采用明场光路，因此照片上的等差条纹黑色的为半数级，明亮的为整数级。

2. 实验结果与分析

（1）从照片中可以看出得到的结果[80]：① 当t= 30 µs 时，图片上显示出一圈黑色环形条纹，该条纹为0.5 级P 波的等差线，说明此时动压值很低。同时，该条纹形状与圆孔爆破时相同，没有受切槽孔的影响。在该时刻，炸药起爆后产生的应力波从炮孔中心迅速向四周传播，S 波在P 波后出现在图片中。② 当 t=100 µs 时，沿切槽尖端方向的两个裂纹已启裂并扩展，图片中条纹图很稀疏，且已看不出P 波前锋，但仍能看到S 波。从图中看出该时刻左裂纹位于距炮孔中心31 mm 处，右裂纹位于距炮孔中心32 mm 处，因此可知裂纹扩展平均速度为312 m/s。③ 当 t=120 µs 时，左裂纹位于距炮孔中心40 mm 处，右裂纹位于距炮孔中心42 mm处，裂纹朝径向继续扩展，其扩展瞬时速度为290 m/s。该时刻应力波作用基本消失，图片中已看不到S 波。④ 当 t=170 µs 时，裂纹扩展了更长距离，左裂纹位于距炮孔中心56 mm 处，右裂纹位于距炮孔中心57 mm 处，其扩展瞬时速度为280 m/s。裂尖处条纹比 t=120 µs 时稍稀，裂纹仍未止裂。⑤ 当t=∞时，左裂纹位于距炮孔中心82 mm 处，右裂纹位于距炮孔中心87 mm 处两条裂纹对称分布，裂纹平整，孔壁周边无损伤。

（2）P 波、S 波的传播速度：

通过对切槽爆破单孔实验获得的16 幅条纹图进行分析，可得出： cP=1 900 m/s， cs=1 150 m/s；据此测算出大约在起爆后13.8 µs 时P 波产生，大约在起爆后17.9 µs 时S 波产生。

（3）分析中得到几个结果。

对条纹图进行分析可得出如下几组数据：

① 左裂纹的扩展瞬时速度v 与时间t 的关系曲线（图14-10）。

② 左裂纹的瞬时位置R 与时间t 的关系（图14-11）。

从图14-10 和图14-11 可以看出，在初始阶段裂纹扩展速度从200 m/s 突跃到405 m/s，随后扩展速度逐渐下降并趋于稳定。从图中可看出，在记录时间内，裂纹扩展平均速度为310 m/s。出现上述现象主要是由于裂纹启裂后，裂尖的曲率半径ρ 趋于0，应力集中度增大，裂纹扩展速度提高，并达到极限速度。

③ 左裂纹尖端应力强度因子KI与时间关系曲线（图14-12）。

根据Griffith 理论，当以极限速度或稍小于极限速度扩展时，裂纹会出现分叉现象。在本实验中，由于装药不耦合系数β=4.3 相对较大，爆生气体的准静态压力相对较小，不足以使裂纹以极限速度扩展，且爆生气体的散失又抵消了裂纹扩展时应力强度因子KI的增加，因而裂纹未发生分叉现象。因受到应力波的微弱影响，裂纹初始扩展速度有所波动。

图14-10　左裂纹扩展瞬间速度v 与时间t 的关系曲线图

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图14-11　左裂纹的瞬间位置R 与时间t 的关系曲线图

图14-12　应力强度因子KI随时间t 的关系

从图14-12 可以看出，裂尖的瞬时KI随时间t 的变化规律：裂纹扩展初始阶段应力强度因子KI上升较快，其后下降并稍有波动。应力强度因子KI的变化范围在1.1～2.8MPa ∙之间。因爆生气体的散失使炮孔压力下降，应力强度因子趋向于衰减。

3. 切槽爆破双孔同时起爆实验

（1）双孔实验模型及有关参数。

设计如图14-13 所示环氧树脂实验模型，板厚6 mm，两个炮孔的技术参数与切槽爆破单孔实验模型相同，炮孔中心间距160 mm，爆炸时保留气体作用。

图14-13　炮孔布置图

（2）实验结果与分析。

从条纹图中可以看出[74]：（1）当t =40 µs 时，与单孔起爆时一样，两孔都只有一条精黑的0.5 级P 波等差线条纹，S 波紧跟其后。此时裂纹可能已开始扩展，只是因P 波和S 波波速远高于裂纹扩展速度，裂纹被夹头挡住而看不到。（2）当t =80 µs 时，P 波的峰值较小，两孔的P 波相遇并产生叠加，叠加后的应力场条纹很稀疏，叠加后双孔连线上的切向应力并无多大增加。该时刻一孔的P 波前端刚与另一孔的S 波前端相遇；图中可看出双孔的四条裂纹已启裂，裂纹的瞬时扩展速度为230 m/s。（3）当t =190 µs 时，图中已看不到P 波的前端和S 波的前端，应力波的作用已基本看不到，但两条相向扩展的裂纹尖端的蝶形等差条纹很明显。裂纹扩展速度为325 m/s。（4）当t =220 µs 时，两孔裂纹扩展至双孔连线中心附近且即将贯通，在连线中心位置形成蝶形应力集中条纹。同时可以看出，从t =190 µs 时刻开始，爆生气体开始散失内压下降，但裂纹仍以较稳定的速度扩展，说明这时裂纹的扩展是受介质弹性能释放的影响。

（5）当 t=∞时，双孔裂纹已贯通且基本交汇于双孔连线的中点。最左边的裂纹长度为79 mm，最右边的裂纹已抵达自由边界。

图14-14 为切槽爆破双孔同时起爆实验时，炮孔间应力波及裂纹扩展的距离和时间的关系曲线图。

图14-14　切槽爆破双孔同时起爆孔间应力波及裂纹的x-t 曲线

图中绘出了双孔应力波的瞬时位置和孔间两条裂纹的瞬时位置。由于在记录时间内，裂纹没有贯通，故图中未标出裂纹交汇的时刻。当孔间距离大于160 mm 时，孔间不能成功贯通。由前面的结果知道，单孔爆破的裂纹长度约为80 mm，双孔间的裂纹扩展长度并未因应力波的叠加而有所增加。