缺陷介质切槽爆破断裂行为的动焦散线实验

利用数字激光动态焦散线实验系统,对含缺陷介质在切槽爆破和普通炮孔爆破中爆生裂纹的断裂行为进行对比研究。结果表明,切槽爆破中沿切槽方向起裂的主裂纹比非切槽方向早10 μs,有利于能量优先沿切槽方向释放;切槽方向主裂纹的起裂韧度为0.58 MN/m3/2,其裂纹扩展的平均速度为277 m/s,分别是普通爆破时主裂纹相应值的54%和86%;当切槽方向主裂纹与缺陷介质贯通后,为爆生气体提供了足够的膨胀空间,诱导爆生气体向预制裂纹两端释放,翼裂纹起裂以Ⅰ型拉伸破坏为主,并在裂纹扩展的60~250 μs内,Ⅰ型动态应力强度因子保持在0.6~0.8 MN/m3/2,形成了明显的平台,延缓了翼裂纹扩展速度的衰减,最终较普通炮孔翼裂纹扩展时间和扩展长度分别增加了22.7%和17.8%。     

定向断裂双孔爆破裂纹扩展的动态行为

利用爆炸加载动态焦散线测试系统,研究了双炮孔切槽方式下、同时起爆、两炮孔间贯穿裂纹和炮 孔外侧裂纹扩展的动态行为。实验结果表明:贯穿裂纹尖端并未直接相遇,而是一上一下,相遇后继续扩展, 并向异方已有的裂纹方向移近。裂纹扩展速度和加速度均呈现波浪起伏式的涨落变化。同一条裂纹扩展的 速度和加速度的峰值交替出现,加速度先达到峰值,速度再达到峰值。动态应力强度因子KⅠ 由最大值迅速 减小,然后经过反复振荡后,又逐渐增大,并达到第2个峰值,之后开始减小。裂纹扩展的过程中,KⅡ 基本都 小于KⅠ 。贯穿裂纹尖端的动态应力强度因子大于外侧裂纹的。动态能量释放率由最大值迅速减小,振荡变 化后第2次达到峰值,又逐渐减小。     

切槽爆破中V形切槽产生的力学效应研究

本文详细研究了切槽爆破中V形切槽在爆炸冲击波的动态压力和爆生气体的准静态压力作用下产生的力学效应。在此基础上,进一步阐明了V形切槽对岩石定向破裂的控制机理,提出了切槽爆破中裂缝扩展的力学判据。最后,对所得结论用实验结果进行了验证。     

节理岩体爆生裂纹扩展动态焦散线模型实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟含节理岩体断裂爆破过程,进行了PMMA模型透射式动态焦散线实验,着重研究了爆炸初始裂纹与节理面夹角不同的情况下,裂纹尖端动态强度因子的变化规律、裂纹穿过节理面的扩展规律、以及炮孔与节理距离不同时裂纹穿过节理扩展的规律。实验结果分析表明,爆生裂纹穿过节理面时,裂纹尖端的动态强度因子和裂纹扩展速度显著下降,穿过节理面后,强度因子又增强;裂纹穿过节理面时,裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿原方向继续扩展。实验结果还表明,炮孔与节理间距适宜的情况下,裂纹才会穿过节理继续扩展,间距太小和过大都不利于裂纹的扩展。     

爆炸应力波作用下动、静裂纹相互作用的实验研究

采用数字激光动态焦散线测试系统,研究爆炸应力波作用下动裂纹与预制静裂纹(水平夹角为90°、150°)相互作用机理,以及裂纹扩展的动态行为。结果表明:(1)在动、静裂纹贯通之前,静裂纹两端便出现焦散斑,动、静裂纹贯通以后,静裂纹沿爆炸应力波传播方向扩展,并且扩展速度小于动裂纹扩展速度,也小于无静裂纹时动裂纹扩展速度; (2)静裂纹存在时,动裂纹扩展的总体长度减小。动裂纹起裂时间缩短,扩展速度基本不受静裂纹的影响,裂纹应力强度因子值大于静裂纹两端值; (3)随着静裂纹水平夹角的增大,动、静裂纹贯通时动裂纹沿水平方向偏转距离增大,静裂纹B端反向扩展与动裂纹相互“咬合”,C端裂纹扩展位移和速度增大。

     

定向断裂控制爆破的空孔效应实验分析

采用新型数字激光动态焦散线实验系统, 对爆炸荷载作用下空孔周围的动应力场分布及空孔对爆生主裂纹扩展行为的影响进行了研究。研究结果表明, 在空孔周围强应力场的影响下, 2条相向扩展的爆生主裂纹逐渐向空孔处偏转, 并在空孔处贯通; 空孔附近的主应力方向与炮孔连心线夹角基本稳定在约12°, 增大空孔尺寸对空孔附近的主应力方向影响不明显; 爆炸应力波与空孔相互作用, 产生反射拉伸波, 改变了主裂纹尖端的应力场, 降低了主裂纹的扩展速度, 且空孔直径越大, 主裂纹的扩展速度越低; 当爆生主裂纹扩展到空孔附近时, 主裂纹尖端动态应力强度因子再次出现上升的趋势。     

冲击载荷下扩展裂纹尖端动态能量释放率分布的焦散线分析

借助高速摄影捕捉裂纹瞬态扩展过程,利用动态焦散线研究了含有裂纹的三点弯曲梁在冲击载荷作用下扩展裂纹尖端的动态能量释放率分布规律;综合分析了裂纹扩展时间、长度、速度,以及扩展裂纹尖端动态应力强度因子与它的变化关系,表明了动态能量释放率在裂纹扩展过程中的驱动作用。     

空孔与运动裂纹相互作用的动焦散线实验研究

为研究预制裂纹不同偏移距离时运动裂纹与空孔的相互作用规律,采用动态焦散线实验系统,将预制裂纹的偏移距离设定为唯一变量,对含空孔的有机玻璃(PMMA)试件进行冲击三点弯实验。研究表明,存在两个临界距离：（6 mm (2 R )、9 mm (3 R )）,在该偏移距离下,裂纹扩展轨迹、动态断裂特性发生显著改变：(1) 预制裂纹偏移距离不大于3 mm时,裂纹贯穿空孔,发生二次起裂,且二次起裂的速度与应力强度因子显著大于一次起裂,无偏移时裂纹轨迹的分形维数为最小值;(2) 偏移距离增大至6 mm时,裂纹不再贯穿空孔,空孔对裂纹先吸引后排斥,裂纹速度与应力强度因子先减小后增大,裂纹轨迹的分形维数达到最大值;(3) 偏移距离大于6 mm时,空孔对裂纹的吸引作用逐渐减小,大于9 mm后,空孔对裂纹的吸引不再显著,裂纹起裂后即向落锤加载方向扩展直至贯穿试件。

     

爆炸应力波作用下裂纹与孔洞的动态焦散线分析

将高速摄影技术与动态焦散线方法相结合，研究了爆炸应力波对裂纹、空孔的作用历史，记录了环绕它们的动态焦散斑图，给出了爆炸应力场中裂纹尖端复合应力强度因子的时间依赖关系以及空孔周围应力场分布的瞬态变化过程，为固体介质的爆破机理研究提供了新方法。     

含节理岩体爆生裂纹扩展的动焦散模型实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟含节理岩体断裂爆破过程,进行了PMMA模型透射式动态焦散线实验,着重研究了爆炸初始裂纹与节理面不同夹角的情况下,裂纹尖端动态应力强度因子的变化规律,裂纹穿过节理面的扩展规律,以及裂纹扩展速度的变化规律。实验结果分析表明,爆生裂纹穿过节理面时,裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度显著下降,穿过节理面后,应力强度因子又有所增强;裂纹穿过节理面时,裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿初始裂纹方向继续扩展。研究结果可以为节理岩体的断裂爆破提供理论依据。     

A study of dynamic caustics around running interface crack tip

Based on the first invariant of stress singular field in the vicinity of running tip of an interface crack, mapping equations of the caustic curve on the reference plane and the initial curve on the specimen plane are developed. The dynamic caustics are analyzed for the crack propagating along the interface between two bonded dissimilar materials. The variation of the caustic configurations is shown with the velocity change of the running crack and the ratio change of the stress intensity factors. Two characteristic dimensions are proposed that are not only practically measurable from optical caustic contours but also suitable to represent the behavior of transient caustics. The project supported by the National Natural Science Foundation of China and the Scientific Commission of Yunnan Province of China     

动、静裂纹作用偏置效应的动焦散冲击实验

为了研究冲击荷载作用下脆性材料中运动裂纹与静止裂纹的相互作用,选取动态载荷下断裂行为与岩石材料类似且本身光学特性较好的有机玻璃（PMMA）作为实验材料,试件尺寸为220 mm×50 mm×5 mm,采用激光切割制作长度5 mm的预制裂纹和长度10 mm的静止裂纹,预制裂纹位于试件的底部边缘中心,静止裂纹的中心位于试件水平轴线。将静止裂纹偏置距离作为单一变量,采用数字激光动态焦散实验系统对含不同缺陷的PMMA进行三点弯曲实验,并结合几何分形理论研究不同偏置距离下运动裂纹的分形规律。实验结果表明：存在预制裂纹与静止裂纹的临界偏置距离（6 mm）,该条件下裂纹轨迹对应的分形维数值最大,裂纹轨迹的规则程度最低,裂纹破坏形态最复杂。当预制裂纹与静止裂纹的偏置距离在0～6 mm时,裂纹Ⅰ起裂后垂直向上扩展一段距离,与静止裂纹交汇,并停滞一段时间后发生二次起裂,直至贯穿试件,偏置距离和交汇点竖向坐标值呈近似线性函数关系。偏置距离的存在不会影响裂纹Ⅰ的起裂时间和应力强度因子,但会显著减小裂纹Ⅱ的动态应力强度因子,且停滞时长随偏置距离的增大而逐渐缩短。当偏置距离大于临界偏置距离时,运动裂纹不再与静止裂纹交汇而是呈拱状向试件上边缘扩展直至贯穿,裂纹的起偏时间、起偏位置也会出现明显的滞后现象。

     

隧洞开挖爆破地震反应谱特征研究

利用地震工程中应用比较成熟的反应谱理论对隧洞开挖爆破地震进行研究。针对反应谱计算中必须输入加速度数据的问题,对实测爆破振动速度数据进行数值微分计算,并采用小波分析方法消噪得到准确、清晰的加速度时程曲线,继而将其用于反应谱计算。结合不同工程中大量的爆破振动监测资料,对隧洞开挖爆破地震反应谱进行分析。结果表明:隧洞开挖爆破地震反应谱都有一些共同的特征,反应谱曲线一般存在一个明显的峰值点,峰值对应的周期集中在几毫秒到几十毫秒的区间内。另外,在归纳、整理大量地下工程开挖爆破地震反应谱的基础上,得到了隧洞开挖爆破地震的设计反应谱。     

爆炸载荷下板条边界斜裂纹的动态扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界斜裂纹的动态扩展行为,首先分析了爆炸应力波在含边界斜裂纹板条中的传播,其次采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界斜裂纹扩展规律的实验研究.研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界斜裂纹的扩展过程中,裂纹扩展速度、扩展加速度和裂尖动态应力强度因子随时间波动变化,扩展速度最大值...     

含不同充填物预制裂隙对爆炸裂纹扩展的影响

为了研究充填裂隙岩石动态断裂时裂纹扩展规律,以空气、黏土和水作为有机玻璃的预制裂隙充填材料,在炮孔与预制裂隙的不同夹角、不同距离条件下,通过单发雷管加载,对3种不同裂隙充填物的有机玻璃模型进行了起爆实验。结果表明:爆炸裂纹几乎都不会越过预制裂隙;空气充填模型裂纹总数、左端翼裂纹几乎全部大于黏土和水充填模型;最长裂纹分布位置和长度与反射应力波传播方向和能量有关;空气充填模型右端翼裂纹多随角度增大而增长,黏土充填模型右端翼裂纹则表现为先增后减;爆炸裂纹扩展对充填物种类具有敏感性。     

用动光弹方法研究隧道岩爆的爆破扰动机理

利用动态光弹性方法,以Lamb模型为依据,研究了不同荷载形式下,模型内应力波的传播、相互作用规律以及刻槽的拦截效应。实验结果与弹性动力学解答基本一致:(1)倾斜冲击荷载作用下,模型内传播的有P波、S波和Rayleigh波,其中P波和Rayleigh波对岩爆有突出贡献;(2)等差条纹图的分布规律,可以合理解释岩爆高发区段与开挖面的位置关系;(3)模型表面的刻槽,可以实现对Rayleigh波的大量拦截,说明隧道表面切槽的岩爆控制方法理论上是可行的。