爆炸載荷與傾斜裂紋相互作用的動態焦散線實像-虛像

宋國康, 陳程*, 翟柏洋, 童玉升, 楊陽

(1.北京科技大學土木與資源工程學院, 北京 100083; 2.招金礦業股份有限公司, 煙臺 265400)

由于巖體內部存在天然的節理、裂隙等,在爆炸載荷作用下,產生的爆炸應力波通過材料傳播并與節理、裂紋產生復雜的相互作用,影響爆炸應力波的傳播、裂紋的起裂和擴展行為。因此,通過研究爆炸應力波與裂紋的相互作用關系,對于改善圍巖損傷、優化爆破參數等具有重要的理論和工程應用價值。學者關于爆炸載荷與裂紋間的相互作用開展大量的研究,理論研究上,趙新濤等[1]采用巖石細觀損傷斷裂理論分析爆生氣體作用下的巖體裂紋擴展機理及巖體破碎時間。彭麟智等[2]研究了不同厚度三點彎曲梁在沖擊載荷下的斷裂行為,分析厚度對巖體動態裂紋擴展的影響。曹平等[3]研究單軸加載作用下含預制裂紋、多裂紋試樣的貫穿和破壞模式。Yue等[4]通過動態焦散線法研究爆炸應力波與運動裂紋附近的應力場,得出爆炸載荷下裂紋-波的相互作用機理。實驗研究上,楊仁樹等[5-7]使用動態焦散線實驗系統,研究不同藥量、水平節理間距以及爆生裂紋間的相互作用對裂紋擴展行為的影響。陳雪峰等[8]制作含紅黏土充填節理模型研究不同節理厚度對爆炸應力波的傳播影響。張士春等[9]研究切縫藥包在水和空氣作為緩沖介質條件下對其爆炸破巖行為的影響。李新平等[10]使用含裂隙巖體模型,研究不同地應力條件下含節理巖體中爆炸應力波傳播規律。岳中文等[11]使用動光彈實驗系統研究缺口大小對含裂紋缺口試件在沖擊載荷下的動態斷裂規律。數值模擬分析上,周文海等[12]建立含節理巖體爆炸數值模型研究節理幾何參數對爆炸應力波傳播和裂紋擴展的影響。王雁冰等[13]使用ABAQUS有限元建立內聚力數值模型,研究缺陷介質在爆炸載荷作用下的裂紋擴展規律。萬瑞瑩等[14]使用AUTODYN有限元研究爆炸載荷中主裂紋與平行裂紋間的擴展規律。

綜上所示,目前的研究集中在探究單一因素下爆炸載荷和裂紋相互作用的影響,研究有一定局限性,對于爆炸應力波與傾斜裂紋相互作用對于裂紋起裂、擴展等動態行為的研究仍需不斷完善,以及爆炸載荷與裂紋相互作用下的多應力場分析仍可深入研究。因此現采用爆炸載荷焦散線實像-虛像綜合實驗系統,利用有機玻璃板開展爆炸載荷與傾斜裂紋的相互作用模型試驗,同步采集裂紋尖端實像和虛像焦散斑信息,研究爆炸應力波和爆生運動裂紋對傾斜裂紋尖端應力場、翼裂紋起裂和擴展特性的影響,以期更準確地理解爆炸載荷與靜態裂紋的作用本質。

1 實驗設計

此模型實驗研究中,試樣采用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethacrylates,PMMA)材料,該材料具有光學各向同性及焦散光學常數高等特點,且其在動態斷裂特征上與巖石類似。PMMA材料動態力學參數[15-17]如下:縱波波速Cp=2 320 m/s,橫波波速Cs=1 260 m/s,動態彈性模量Ed=6.1 GPa,泊松比v=0.31,應力光學常數|Ct|=0.85×10-10m2/N。如圖1所示為含傾斜預制裂紋試樣模型,試件尺寸為:長400 mm,寬300 mm,厚5 mm。位于試樣中心的傾斜預制裂紋長40 mm,寬0.5 mm,采用激光加工成型,與水平方向的夾角成45°,炮孔直徑8 mm,距離預制裂紋水平距離60 mm。炮孔內藥包采用切縫藥包,內外徑分別為6 mm和8 mm,裝藥采用疊氮化鉛[Pb(N3)2],質量為60 mg,切縫方向呈水平方向,以此來產生水平方向爆生運動裂紋。

圖1 傾斜預制裂紋試樣模型

2 實驗系統及原理

2.1 實驗系統

研究采用爆炸載荷動態焦散線實像-虛像綜合實驗系統[18],同時采集爆炸荷載下的裂紋動態擴展中的實像-虛像信息,綜合分析爆炸應力波和爆生運動裂紋與預制傾斜裂紋作用過程。該系統包括:高速攝影1、高速攝影2、激光器、擴束鏡、3個場鏡、分光鏡、2臺電腦、高能脈沖點火器以及同步控制器。如圖2所示為爆炸載荷動態焦散線實像-虛像綜合實驗系統示意圖。高速攝影1采用Photron FAST SA5彩色高速攝影(CCD傳感器)對焦于參考平面1,該參考平面與試件中面的距離z0=1 000 mm,用于拍攝實像,拍攝速度為150 000 幀/s,單幅照片的時間間隔為6.67 μs;高速相機2采用Phantom v2012黑白高速攝影(CMOS傳感器)對焦于參考平面2,z0=750 mm,用于拍攝虛像,拍攝速度為400 000 幀/s,單幅照片的時間間隔為2.5 μs。利用焦散線虛像系統可以定量表征壓應力作用下裂紋尖端應力場,由于爆炸應力波P波前端為壓應力,為了充分研究爆炸應力波P波壓應力對裂紋擴展的影響,使得在觀測同一采集視場時高速相機2的采樣頻率要高于高速相機1的采樣率。該綜合實驗系統的工作過程為:激光器發射波長為532 nm的單色光束經過擴束鏡發射至場鏡1并轉化為平行光穿過試樣,半透半反鏡將該平行光束轉化為兩束平行光,一束折射90°后穿過場鏡3進入高速攝影2,另一束穿過場鏡2進入高速攝影1。實驗過程中首先將試樣垂直固定在實驗臺上,檢查設備連接是否正常,同步控制器根據提前設定的延期時間發出觸發信號1和觸發信號2,分別用于控制多通道脈沖起爆器引爆炮孔內部炸藥和控制兩臺高速相機開啟記錄實驗數據,最終將實驗數據分別傳輸至兩臺電腦。

圖2 爆炸載荷動態焦散線實像-虛像綜合實驗系統

2.2 Ⅰ+Ⅱ混合應力強度因子的確定

Ⅰ、Ⅱ型動態應力強度因子計算公式[19]為

(1)

(2)

式中:F(v)為速度對運動裂紋動態應力強度因子影響的調整系數, 為焦散線直徑;Dmax為放大系數;λm取值為1;δmax為動態效應對焦散曲線最大橫徑影響的相關系數,取值為3.170 2;z0為試件中面距相機對焦平面距離,實驗中取值為90 mm;c為光彈常數;μ為應力強度因子比。

3 實驗結果及分析

3.1 傾斜裂紋尖端焦散斑分析

圖3 爆炸應力波與傾斜裂紋相互作用

圖4 爆生裂紋與傾斜裂紋相互作用

3.2 傾裂紋擴展軌跡及速度分析

設爆生運動裂紋M1尖端坐標為C1(x1,y1),翼裂紋W1尖端坐標為C2(x2,y2)。同時為了實驗觀察以預制裂紋中心作為坐標原點。如圖5所示為經過數據化處理后的爆生運動裂紋M1與翼裂紋W1的擴展軌跡示意圖。在爆炸載荷作用下,首先形成水平方向運動擴展的運動裂紋M1,結合圖6其擴展平均速度502.52 m/s,在擴展至傾斜裂紋附近,運動裂紋M1開始向下偏斜,同時其擴展速度迅速下降,直至貫穿傾斜預制裂紋,并在13.34 μs后翼裂紋W1開始形成并擴展,并沿著水平方向運動,直至133.33 μs達到速度峰值436.97 m/s。

圖5 裂紋擴展軌跡示意

圖6 實像系統裂紋尖端擴展速度曲線

3.3 裂紋尖端應力強度因子分析

圖7 虛像系統裂紋尖端動態應力強度因子曲線

圖8 實像系統裂紋尖端動態應力強度因子曲線

4 結論

(1)相較于單一透射式動態焦散線實驗系統,此綜合實驗系統可同時獲得爆炸載荷下裂紋尖端實像、虛像焦散斑數據,定量表征爆炸載荷與傾斜裂紋相互作用全過程。

(3)爆生運動裂紋與傾斜裂紋作用中,爆生運動裂紋在與傾斜裂紋貫通后,在傾斜裂紋尖端B2受拉應力作用產生沿水平方向擴展的翼裂紋,裂紋尖端B1受壓應力作用未產生翼裂紋。

(4)在爆生運動裂紋與傾斜裂紋作用中,爆生主裂紋M1擴展中的應力強度因子及速度不斷下降,裂紋尖端B1應力強度因子不斷減小,裂紋尖端B2應力強度因子不斷增加,直至產生翼裂紋W1。