岳中文,郭 洋,許 鵬,王 煦,宋 耀

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京100083)

定向斷裂控制爆破的空孔效應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析*

岳中文,郭 洋,許 鵬,王 煦,宋 耀

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京100083)

采用新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)爆炸荷載作用下空孔周圍的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布及空孔對(duì)爆生主裂紋擴(kuò)展行為的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,在空孔周圍強(qiáng)應(yīng)力場(chǎng)的影響下,2條相向擴(kuò)展的爆生主裂紋逐漸向空孔處偏轉(zhuǎn),并在空孔處貫通;空孔附近的主應(yīng)力方向與炮孔連心線夾角基本穩(wěn)定在約12°,增大空孔尺寸對(duì)空孔附近的主應(yīng)力方向影響不明顯;爆炸應(yīng)力波與空孔相互作用,產(chǎn)生反射拉伸波,改變了主裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng),降低了主裂紋的擴(kuò)展速度,且空孔直徑越大,主裂紋的擴(kuò)展速度越低;當(dāng)爆生主裂紋擴(kuò)展到空孔附近時(shí),主裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子再次出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

爆炸力學(xué);定向斷裂控制爆破;爆破裂紋數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線;空孔;爆破裂紋

在井巷掘進(jìn)施工中,鉆爆法由于對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng),施工成本低、速度快,操作工藝簡(jiǎn)單,因而在施工中應(yīng)用廣泛。采用傳統(tǒng)爆破的方法進(jìn)行施工時(shí),往往會(huì)造成較大的超挖或欠挖,不僅增加了后期噴漿作業(yè)的費(fèi)用,也增加了圍巖的損傷,降低了圍巖的穩(wěn)定性[1]。為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多定向斷裂控制爆破的方法。其中,通過(guò)在裝藥孔間設(shè)置空孔來(lái)實(shí)現(xiàn)定向斷裂爆破的效果已在工程實(shí)踐中被人們所證實(shí),并且取得了較好的效果。該方法主要是利用空孔的影響,使爆生主裂紋方向偏向空孔方向,從而實(shí)現(xiàn)定向斷裂,空孔的這種作用也被稱為“空孔效應(yīng)”[2]。

長(zhǎng)期以來(lái),一 些學(xué)者 對(duì)“空孔效應(yīng)”進(jìn)行了 大量的 研究。B.B.Mohanty[3-4]最 先提出 了在裝 藥孔間 設(shè)置空孔來(lái)達(dá)到控制爆破裂紋擴(kuò)展的方向,并隨后通過(guò) 實(shí) 驗(yàn) 和 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn) 行 了 證 明。Y.Nakamura等[5]進(jìn)行了爆破裂紋擴(kuò)展控制實(shí)驗(yàn),并對(duì)普通空孔和在空孔兩側(cè)切槽對(duì)爆生裂紋擴(kuò)展的影響進(jìn)行了分析。S.H.Cho等[6]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié) 合 的 方 法 對(duì) 空 孔 的 定 向 斷 裂 效 果 進(jìn) 行 了 研 究。 劉 優(yōu) 平 等[7]從理論上對(duì)空孔的作用機(jī)理進(jìn)行了分析。畢謙等[8]采用動(dòng)光彈法對(duì)空孔附近的動(dòng)應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究,認(rèn)為空孔壁附近 的 動(dòng) 拉 應(yīng) 力 集 中 是 誘 發(fā) 主 裂 紋 沿 空 孔 方 向 運(yùn) 動(dòng) 的 主 要 原 因。文 梼 等[9]采 用 LSDYND 2D 數(shù)值 軟件利 用不同 空孔參 數(shù)對(duì)空 孔導(dǎo)向 作用的 影響進(jìn) 行了研 究。姚 學(xué)鋒等[10]等 采用 焦 散 線實(shí)驗(yàn)方法研究了爆炸應(yīng)力波對(duì)裂紋和空孔的作用,并得出了裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子及空孔周圍應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。然而由于爆炸荷載的瞬時(shí)性、爆炸作用的復(fù)雜性等原因,人們對(duì)含空孔時(shí)爆生裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究還十分有限,存在很多的不足。因此,研究爆炸荷載下空孔的作用機(jī)理及其與爆生裂紋的相互作用關(guān)系具有重要的意義。

本文中采用新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),以有機(jī)玻璃板(PMMA)為實(shí)驗(yàn)材料,對(duì)兩孔同時(shí)起爆時(shí)的“空孔效應(yīng)”進(jìn)行了研究,分析了在爆炸應(yīng)力波作用下不同尺寸空孔周圍應(yīng)力場(chǎng)的變化及其對(duì)爆生主裂紋擴(kuò)展行為的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,在空孔周圍強(qiáng)應(yīng)力場(chǎng)的影響下,2條相向擴(kuò)展的爆生主裂紋逐漸向空孔處偏轉(zhuǎn),并在空孔處貫通;爆炸應(yīng)力波與空孔相互作用,產(chǎn)生反射拉伸波,改變了主裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng),降低了主裂紋的擴(kuò)展速度,當(dāng)爆生主裂紋擴(kuò)展到空孔附近時(shí),主裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子再次出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理

在爆炸荷載作用下,爆炸應(yīng)力場(chǎng)中爆炸壓力脈沖主要以壓縮波和剪切波這2種體波形式傳播,由于2種波的共同作用,在介質(zhì)中任意一點(diǎn)產(chǎn)生正應(yīng)力和切應(yīng)力,即爆炸應(yīng)力場(chǎng)為復(fù)合型,因而介質(zhì)中的裂紋可視為復(fù)合型裂紋。對(duì)于動(dòng)態(tài)焦散線測(cè)試方法,由其測(cè)試原理可知,裂紋尖端的復(fù)合應(yīng)力強(qiáng)度因子可表示成:

式 中 :Dmax為 復(fù) 合 型 裂 紋 尖 端 焦 散 斑 最 大 直 徑 ,z0為 參 考 平 面 到 物 體 平 面 的 距 離 ,c為 材 料 的 應(yīng) 力 光 學(xué)常 數(shù) ,deff為 試 件 的 有 效 厚 度 ,μ為 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 的 比 值 ,g為 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 數(shù) 值 因 子 ,KⅠ為 Ⅰ 型 動(dòng) 態(tài) 應(yīng) 力 強(qiáng)度 因 子 ,KⅡ?yàn)?Ⅱ 型 動(dòng) 態(tài) 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 。 因 此 ,對(duì) 于 給 定 的 實(shí) 驗(yàn) 系 統(tǒng) ,z0、c、deff為 已 知 的 確 定 常 數(shù) ,僅 需測(cè)量焦散斑的最大直徑就可以確定裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的大小。

由文獻(xiàn)[11]可知,在雙孔爆炸作用下,空孔周圍的受力情況可簡(jiǎn)化為圖1所示,圖2給出了空孔周圍焦散斑的形狀及其尺寸。在雙向拉伸應(yīng)力場(chǎng)作用下,空孔附近的焦散斑特征尺寸D與荷載之間的關(guān)系可表示為:

式中:p-q為空 孔周圍 的主應(yīng) 力差值 ,RB為空孔的 半 徑 ,D 為 空 孔 周 圍 焦 散 斑 的 特 征 長(zhǎng) 度,其 余 參 數(shù) 與式(1)相同。

圖1 空孔的受力示意圖Fig.1 Force diagram of empty hole

圖2 空孔周圍的焦散線Fig.2 Caustics around empty hole

2 新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)描述

實(shí)驗(yàn)選用有機(jī)玻璃板(PMMA)作為實(shí)驗(yàn)材料,具有較高的光學(xué)常數(shù),且光學(xué)各向同性,產(chǎn)生單焦散曲線,可以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度,其動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)由文獻(xiàn)[12]中實(shí)驗(yàn)測(cè)得。圖3表示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮嚰疽鈭D。試件尺寸為400 mm×300 mm×5 mm,2個(gè)炮孔位于試件的中央,間距為120 mm,炮孔直徑為6 mm,單孔裝藥量為140 mg。為模擬實(shí)際施工中的切槽炮孔,在每個(gè)炮孔上沿2個(gè)炮孔連心線方向精確切割2個(gè)對(duì)向的切槽,切槽角度為60°,切槽深度為1 mm。空孔位于2個(gè)炮孔連心線的中間位置。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3種方案:(1)無(wú)空孔(即空孔直徑為0);(2)空孔直徑為6 mm;(3)空孔直徑為8 mm。

實(shí)驗(yàn)時(shí),在炮孔中裝藥并預(yù)先插入一組探針,探針與高壓起爆裝置相連,高壓起爆裝置通過(guò)預(yù)先充電再放電產(chǎn)生電火花引爆炸藥。本實(shí)驗(yàn)中采用同時(shí)起爆方式,高速數(shù)碼相機(jī)在起爆前事先開(kāi)啟,對(duì)爆炸整個(gè)過(guò)程進(jìn)行記錄。此外,為防止炸藥產(chǎn)生的碎片對(duì)兩側(cè)的透鏡造成損壞,在模型兩側(cè)分別放置2塊透明的有機(jī)玻璃板進(jìn)行防護(hù)。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮嚰疽鈭DFig.3 Schematic diagrams of experimental specimen models

2.2 實(shí)驗(yàn)光路及設(shè)備

圖4所示為實(shí)驗(yàn)光路示意圖。圖5所示為新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)改進(jìn)了傳統(tǒng)的多火花式焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),用高速數(shù)碼相機(jī)和激光光源分別取代傳統(tǒng)的多幅式膠片相機(jī)和多火花式點(diǎn)光源,具有拍攝幅數(shù)多、效果好;實(shí)驗(yàn)受環(huán)境影響小、系統(tǒng)誤差低;實(shí)驗(yàn)圖片易于進(jìn)一步處理等特 點(diǎn)[13]。 實(shí) 驗(yàn) 采 用 的 高 速 數(shù) 碼 相 機(jī) 為 日本生產(chǎn)的 Fastcam-SA5(16 G)型彩色高速數(shù)碼相機(jī),其最大拍攝速度可達(dá)106s-1,能夠滿足對(duì)爆炸現(xiàn)象的超動(dòng)態(tài)測(cè)試要求。實(shí)驗(yàn)采用的光源為綠色激光光源,其波長(zhǎng)位于數(shù)碼相機(jī)的最敏感光波波長(zhǎng)范圍內(nèi)。同時(shí),為配合不同實(shí)驗(yàn)需求,光源還配有調(diào)節(jié)旋鈕,光強(qiáng)可在0~200 m W間調(diào)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)的相機(jī)拍攝速度為3×105s-1,拍攝照片的分辨率為256×64 pixels,泵浦激光器功率為60 m W。

圖4 實(shí)驗(yàn)光路示意圖Fig.4 Schematic diagrams of experimental optical system

圖5 新型數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 New-type digital laser dynamic caustics experimental system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 爆生主裂紋擴(kuò)展軌跡

圖6表示空孔直徑分別為0、6和8 mm 的模型試件爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。從圖6中可以看出,空孔對(duì)爆生主裂紋的擴(kuò)展軌跡影響很大,具有明顯的導(dǎo)向作用。當(dāng)炮孔間無(wú)空孔時(shí),如圖6(a)所示,由于在炮孔上預(yù)先設(shè)置了雙向切槽,雙孔同時(shí)起爆后,從2個(gè)炮孔處沿切槽方向產(chǎn)生2條爆生主裂紋A1、A2,并相向擴(kuò)展,當(dāng)2條主裂紋A1、A2相遇時(shí),由于對(duì)方已形成的裂紋成為了新的自由面,導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)并移向?qū)Ψ揭延辛鸭y,最終在2炮孔間形成相互勾連的形狀。當(dāng)炮孔間有空孔時(shí),爆生主裂紋沿切槽方向優(yōu)先擴(kuò)展,當(dāng)爆生主裂紋運(yùn)動(dòng)到接近空孔時(shí),由于空孔的作用,爆生主裂紋與空孔相貫通,裂紋擴(kuò)展基本呈直線,定向斷裂效果明顯好于無(wú)空孔爆破。這點(diǎn)對(duì)于工程爆破尤為重要,它表明了在周邊眼定向斷裂控制爆破中,在兩炮孔連線方向上增設(shè)空孔,有利于爆生主裂紋沿空孔方向運(yùn)動(dòng),并最終在空孔處相互貫通,從而減少對(duì)爆破圍巖的損傷,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化定向斷裂控制爆破,而且空孔越大,爆破效果越明顯。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig.6 Patterns of experimental results

3.2 空孔周圍應(yīng)力場(chǎng)的變化

圖7所示為空孔直徑分別為0、6和8 mm 的空孔周圍焦散斑。

從圖7可以看出,起爆初期,由于切槽炮孔的影響,爆炸應(yīng)力波在切槽處產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂紋優(yōu)先沿切槽方向擴(kuò)展形成爆生主裂紋。當(dāng)空孔直徑為0 mm時(shí),在爆炸應(yīng)力波與運(yùn)動(dòng)裂紋的相互作用和運(yùn)動(dòng)裂紋與運(yùn)動(dòng)裂紋的相互作用下,裂紋尖端附近形成復(fù)雜的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng);當(dāng)空孔直徑為6 mm 時(shí),爆炸應(yīng)力波在20μs時(shí)到達(dá)空孔,并與空孔產(chǎn)生相互作用,在兩炮孔連心線上的空孔邊緣處產(chǎn)生了應(yīng)力集中,表現(xiàn)為在空孔邊緣出現(xiàn)“月牙形”的焦散斑,焦散斑圖像上具有2個(gè)特征點(diǎn),特征點(diǎn)的連線經(jīng)過(guò)空孔圓心。隨著爆炸應(yīng)力波在空孔處產(chǎn)生反射、繞射等作用,空孔周圍的焦散斑也隨之繞空孔運(yùn)動(dòng),大小不斷發(fā)生變化?？湛字車股叩奶卣鞒叽绾头较虻倪@種變化直觀反映了爆炸應(yīng)力波作用下空孔周圍的應(yīng)力集中程度和動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的變化;當(dāng)空孔直徑為8 mm 時(shí),在相同的時(shí)刻,空孔周圍的焦散斑陰影區(qū)明顯比6 mm空孔周圍的焦散斑陰影區(qū)大,其空孔周圍焦散斑的特征尺寸更大,空孔周圍的應(yīng)力集中程度也更強(qiáng),說(shuō)明增大空孔直徑有利于增強(qiáng)空孔周圍的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng),有利于提高空孔對(duì)運(yùn)動(dòng)裂紋的導(dǎo)向控制作用。

圖8~9分別表示爆炸荷載下不同尺寸空孔周圍主應(yīng)力差值及其夾角隨時(shí)間變化曲線?？湛赘浇鲬?yīng)力差值的變化表征了空孔附近應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱,空孔附近兩焦散斑特征點(diǎn)的連線和2個(gè)炮孔連心線間的夾角θ表征了主應(yīng)力場(chǎng)方向以及應(yīng)力集中區(qū)域的變化。從圖8可以看出,空孔周圍的主應(yīng)力差值在主裂紋擴(kuò)展過(guò)程中表現(xiàn)為振蕩變化,并在裂紋靠近空孔時(shí)迅速增大的特點(diǎn)。在80~126μs之間, 6 mm空孔周圍應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力差值由1.72 MPa增大到6.80 MPa,增加了5.08 MPa;8 mm 空孔周圍應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力差由1.87 MPa增大到8.55 MPa,增加了6.68 MPa,較6 mm 空孔周圍應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力差提高了30%,說(shuō)明了隨著爆炸應(yīng)力波與空孔的相互作用,大直徑空孔周圍應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力差值更大,表現(xiàn)出更強(qiáng)的應(yīng)力集中特性。空孔周圍焦散斑特征點(diǎn)的連線和兩炮孔連心線間的夾角θ隨時(shí)間的變化情況如圖9所示。夾角θ隨空孔周圍應(yīng)力場(chǎng)的變化而呈現(xiàn)逐漸振蕩上升的趨勢(shì),并在12°左右趨于穩(wěn)定。對(duì)于不同的空孔直徑,夾角θ的變化趨勢(shì)和大小基本相同,說(shuō)明空孔直徑對(duì)主應(yīng)力方向θ的影響不明顯,且當(dāng)裂紋擴(kuò)展到空孔附近時(shí),空孔附近主應(yīng)力方向與2個(gè)炮孔連心線的夾角大致穩(wěn)定在12°。

圖8 空孔周圍主應(yīng)力差值時(shí)程曲線Fig.8 Histories of difference between the two principal stresses around empty holes

圖9 空孔周圍夾角時(shí)程曲線Fig.9 Histories of of the included angles around empty holes

3.3 爆生主裂紋擴(kuò)展速度的變化規(guī)律

圖10所示為不同空孔直徑下爆生主裂紋的擴(kuò)展速度隨時(shí)間變化曲線。從圖10可以看出,在炸藥爆炸后的33.3μs內(nèi),3組實(shí)驗(yàn)中的爆生主裂紋的擴(kuò)展速度均快速上升并達(dá)到最大值(空孔直徑為8 mm時(shí)左側(cè)爆生主裂紋C1的擴(kuò)展速度達(dá)到最大值的時(shí)間為t=23.3μs,這可能是由于起爆時(shí)間控制不精確及測(cè)量時(shí)的測(cè)量誤差等原因造成的),此后,3組實(shí)驗(yàn)中的爆生主裂紋的擴(kuò)展速度均出現(xiàn)劇烈下降,并在7μs后下降到最低值。其中,無(wú)空孔時(shí)的爆生主裂紋的擴(kuò)展速度最低為245.6 m/s,是最大值的41%,空孔直徑為6和8 mm 時(shí)的爆生主裂紋幾乎停止擴(kuò)展,其擴(kuò)展速度最低分別為0和78 m/s。隨后,3組實(shí)驗(yàn)中的爆生主裂紋的擴(kuò)展速度再次上升,并開(kāi)始不斷振蕩下降,直到裂紋止裂。

圖10 爆生主裂紋擴(kuò)展速度時(shí)程曲線Fig.10 Propagation velocity histories of the blast-induced cracks

炮孔間有空孔時(shí)的雙孔爆破爆生主裂紋的擴(kuò)展速度在t=33.3~40μs之間出現(xiàn)劇烈下降,甚至停滯的狀態(tài),這主要由2個(gè)原因引起的。一方面,從焦散斑系列圖片中可以看出,在t=33.3μs時(shí),從炮孔處的產(chǎn)生的S波與從異方炮孔處產(chǎn)生的P波進(jìn)行波形耦合,并與運(yùn)動(dòng)的爆生主裂紋相互作用,但是由于S波對(duì)同向運(yùn)動(dòng)的主裂紋起促進(jìn)的作用,而P波對(duì)相向運(yùn)動(dòng)的主裂紋擴(kuò)展起阻礙作用,因此,隨著P波波峰向主裂紋傳播,爆生主裂紋的擴(kuò)展速度迅速下降。隨后,隨著 P波與S波的繼續(xù)傳播,P波波峰逐漸遠(yuǎn)離主裂紋尖端,對(duì)主裂紋擴(kuò)展的影響逐漸減弱,S波的作用逐漸增強(qiáng),因此,爆生主裂紋的擴(kuò)展速度再次上升,并繼續(xù)沿原方向運(yùn)動(dòng)。另一方面,炮孔間有空孔時(shí),從炮孔處產(chǎn)生的P波在空孔處產(chǎn)生反射拉伸PP波也在裂紋尖端處與P波和S波進(jìn)行波形耦合,從而增強(qiáng)了阻礙主裂紋向前擴(kuò)展的P波的能量,相對(duì)削弱了促進(jìn)主裂紋向前擴(kuò)展的S波的能量,因此,主裂紋的擴(kuò)展速度下降更劇烈。

從圖10中還可以看出,無(wú)空孔時(shí)爆生主裂紋擴(kuò)展的最大速度為610 m/s,空孔直徑為6 mm 時(shí)主裂紋擴(kuò)展的最大速度為535 m/s,較無(wú)空孔時(shí)下降了12%,而空孔直徑為8 mm 時(shí)主裂紋的最大速度僅為450 m/s,較無(wú)空孔時(shí)下降了26%。同時(shí),從圖7中也可以看出,在t=120μs時(shí),無(wú)空孔時(shí)的2條主裂紋已經(jīng)相遇,空孔直徑為6 mm 時(shí)的2條主裂紋剛運(yùn)動(dòng)到空孔處,而空孔直徑為8 mm 時(shí)的2條主裂紋還沒(méi)有擴(kuò)展到空孔處。

隨著空孔直徑的增大,爆生主裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中的最大速度及擴(kuò)展的平均速度均有明顯下降。這是因?yàn)榇怪庇诳湛讉鞑サ腜波在遇到空孔后反射產(chǎn)生PP波,增大空孔直徑,使反射PP波的能量增強(qiáng),阻礙主裂紋擴(kuò)展的能量相對(duì)增強(qiáng),促進(jìn)主裂紋擴(kuò)展的能量相對(duì)減弱,主裂紋的擴(kuò)展速度降低。空孔的這種作用也增強(qiáng)了空孔對(duì)爆生主裂紋擴(kuò)展方向的引導(dǎo)性,保證了爆生主裂紋沿空孔方向運(yùn)動(dòng)。

3.4 爆生主裂紋裂尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律

圖11所示為不同空孔直徑下爆生主裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間的變化曲線。

圖11 不同空孔直徑下爆生主裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)程曲線Fig.11 Histories of dynamic stress intensity factors under different diameters of empty hole

從圖11可以看出,受爆生主裂紋尖端動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)變化的影響,3組實(shí)驗(yàn)中,爆生主裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子呈先快速增大后減小不斷振蕩變化的特點(diǎn)。與裂紋擴(kuò)展速度相似,3組實(shí)驗(yàn)中,裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子在起爆后的t=33.3μs時(shí)均出現(xiàn)劇烈下降,并在t=40μs附近達(dá)到最低點(diǎn)。無(wú)空孔時(shí),爆生主裂紋A1尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子在t=26.7μs時(shí)達(dá)到最大值2.37 MN·m-3/2,然后下降,并在t=43μs時(shí)達(dá)到最低值1.3 MN·m-3/2,然后開(kāi)始振 蕩,并 在 裂 紋 擴(kuò)展末期逐漸 降 低 至零。當(dāng) 炮 孔間空孔直徑為6和8 mm時(shí),爆生主裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子在t=40μs附近也達(dá)到最低值,分別為1.21和0.87 MN·m-3/2,但有空孔時(shí),爆生主裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子再次上升并達(dá)到的最大值較無(wú)空孔時(shí)要高很多。無(wú)空孔時(shí)爆生主裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子再次達(dá)到的最大值僅為第1次峰值的75%,而空孔直徑為6和8 mm 時(shí)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子為第1次峰值的94%和91%,其值分別為2.16和2.23 MN·m-3/2,這主要因?yàn)闊o(wú)空孔時(shí),由于爆炸應(yīng)力波的衰減,推動(dòng)爆生主裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子再次上升的能量較少,而炮孔間有空孔時(shí),由于在空孔處產(chǎn)生的反射PP波和PS波與裂紋尖端附近的應(yīng)力波發(fā)生波形耦合,增強(qiáng)了裂紋尖端的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng),延長(zhǎng)了應(yīng)力波對(duì)裂紋擴(kuò)展的作用時(shí)間。在炮孔間空孔直徑為8 mm時(shí)裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子在裂紋擴(kuò)展后期甚至出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),這說(shuō)明隨著空孔直徑的增加,空孔周圍的應(yīng)力集中程度更加明顯,爆炸應(yīng)力波在空孔處反射形成的反射 PP波、PS波、SP波和 SS波延長(zhǎng)了爆炸應(yīng)力波在裂紋尖端的作用時(shí)間,增強(qiáng)了空孔對(duì)爆生主裂紋尖端擴(kuò)展方向的控制作用,迫使爆生主裂紋向空孔處擴(kuò)展,達(dá)到精確控制定向斷裂爆破的目的。

4 結(jié) 論

(1)由于空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)、自由面效應(yīng)和卸壓效應(yīng),爆生主裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中逐漸向空孔發(fā)生偏轉(zhuǎn),并最終在空孔處貫通,說(shuō)明空孔具有很好的導(dǎo)向作用。

(2)爆炸應(yīng)力波與空孔相互作用,在與2個(gè)炮孔的連心線成12°的方向產(chǎn)生應(yīng)力集中,形成強(qiáng)拉伸應(yīng)力場(chǎng),且空孔尺寸與應(yīng)力場(chǎng)的大小關(guān)系明顯,與應(yīng)力集中的方向關(guān)系不明顯。

(3)爆炸應(yīng)力波在空孔處產(chǎn)生反射波,與爆生主裂紋周圍的應(yīng)力波相互疊加,改變了主裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng),降低了相向運(yùn)動(dòng)的爆生主裂紋的擴(kuò)展速度,且空孔尺寸越大,主裂紋的擴(kuò)展速度越低。

(4)增大空孔直徑,有利于增強(qiáng)爆炸應(yīng)力波在空孔處的反射,使爆生主裂紋尖端的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)明顯增強(qiáng),主裂紋尖端動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子再次出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),同時(shí),延長(zhǎng)了爆炸應(yīng)力波對(duì)運(yùn)動(dòng)裂紋的作用時(shí)間。

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Analysis of empty hole effect in directional fracture controlled blasting

Yue Zhong-wen,Guo Yang,Xu Peng,Wang Xu,Song Yao
(School of Mechanics&Civil Engineering,China University of Mining&Technology, Beijing 100083,China)

A new experimental system of digital laser dynamic caustics was used and the distribution of dynamic stress field around empty holes and the influence of empty holes upon the main cracks expanding under the blasting loading were studied.Experimental results show that two blast-induced main cracks,which were oppositely expanding,deflected gradually to empty hole under the strong stress and penetrated empty hole.The angle between the principal stress direction and the line of two blasting holes center near the empty hole kept about 12°,and the principal stress direction did not change with the size of empty holes increasing;the interaction between explosive stress waves and empty holes produced reflective stretching waves,changed the stress field at the main crack tips,reduced expanding velocity of the main crack.The larger the diameter of empty hole was,the lower the main crack propagation velocity was.When the blast-induced main cracks expanded to empty hole,the dynamic stress intensity factor at crack tips appeared to rise again.

mechanics of explosion;fracture controlled blasting;digital laser dynamic caustics;empty hole;blast-induced cracks

O383.2國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼:1303520

:A

10.11883/1001-1455-(2015)03-0304-08

(責(zé)任編輯 王易難)

2013-09-24;

:2014-01-06

:國(guó)家 自然科學(xué)基 金項(xiàng)目(51374210,51134025);中央 高?；究?研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng) 目(2009QL15)

:岳中 文(1975— ),男,博士,副教授,zwyue75@163.com。