爆炸载荷与倾斜裂纹相互作用的动态焦散线实像-虚像

2024-03-22宋国康陈程翟柏洋童玉升杨阳

科学技术与工程 2024年5期

宋国康, 陈程*, 翟柏洋, 童玉升, 杨阳

(1.北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083; 2.招金矿业股份有限公司, 烟台 265400)

由于岩体内部存在天然的节理、裂隙等,在爆炸载荷作用下,产生的爆炸应力波通过材料传播并与节理、裂纹产生复杂的相互作用,影响爆炸应力波的传播、裂纹的起裂和扩展行为。因此,通过研究爆炸应力波与裂纹的相互作用关系,对于改善围岩损伤、优化爆破参数等具有重要的理论和工程应用价值。学者关于爆炸载荷与裂纹间的相互作用开展大量的研究,理论研究上,赵新涛等[1]采用岩石细观损伤断裂理论分析爆生气体作用下的岩体裂纹扩展机理及岩体破碎时间。彭麟智等[2]研究了不同厚度三点弯曲梁在冲击载荷下的断裂行为,分析厚度对岩体动态裂纹扩展的影响。曹平等[3]研究单轴加载作用下含预制裂纹、多裂纹试样的贯穿和破坏模式。Yue等[4]通过动态焦散线法研究爆炸应力波与运动裂纹附近的应力场,得出爆炸载荷下裂纹-波的相互作用机理。实验研究上,杨仁树等[5-7]使用动态焦散线实验系统,研究不同药量、水平节理间距以及爆生裂纹间的相互作用对裂纹扩展行为的影响。陈雪峰等[8]制作含红黏土充填节理模型研究不同节理厚度对爆炸应力波的传播影响。张士春等[9]研究切缝药包在水和空气作为缓冲介质条件下对其爆炸破岩行为的影响。李新平等[10]使用含裂隙岩体模型,研究不同地应力条件下含节理岩体中爆炸应力波传播规律。岳中文等[11]使用动光弹实验系统研究缺口大小对含裂纹缺口试件在冲击载荷下的动态断裂规律。数值模拟分析上,周文海等[12]建立含节理岩体爆炸数值模型研究节理几何参数对爆炸应力波传播和裂纹扩展的影响。王雁冰等[13]使用ABAQUS有限元建立内聚力数值模型,研究缺陷介质在爆炸载荷作用下的裂纹扩展规律。万瑞莹等[14]使用AUTODYN有限元研究爆炸载荷中主裂纹与平行裂纹间的扩展规律。

综上所示,目前的研究集中在探究单一因素下爆炸载荷和裂纹相互作用的影响,研究有一定局限性,对于爆炸应力波与倾斜裂纹相互作用对于裂纹起裂、扩展等动态行为的研究仍需不断完善,以及爆炸载荷与裂纹相互作用下的多应力场分析仍可深入研究。因此现采用爆炸载荷焦散线实像-虚像综合实验系统,利用有机玻璃板开展爆炸载荷与倾斜裂纹的相互作用模型试验,同步采集裂纹尖端实像和虚像焦散斑信息,研究爆炸应力波和爆生运动裂纹对倾斜裂纹尖端应力场、翼裂纹起裂和扩展特性的影响,以期更准确地理解爆炸载荷与静态裂纹的作用本质。

1 实验设计

此模型实验研究中,试样采用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethacrylates,PMMA)材料,该材料具有光学各向同性及焦散光学常数高等特点,且其在动态断裂特征上与岩石类似。PMMA材料动态力学参数[15-17]如下:纵波波速Cp=2 320 m/s,横波波速Cs=1 260 m/s,动态弹性模量Ed=6.1 GPa,泊松比v=0.31,应力光学常数|Ct|=0.85×10-10m2/N。如图1所示为含倾斜预制裂纹试样模型,试件尺寸为:长400 mm,宽300 mm,厚5 mm。位于试样中心的倾斜预制裂纹长40 mm,宽0.5 mm,采用激光加工成型,与水平方向的夹角成45°,炮孔直径8 mm,距离预制裂纹水平距离60 mm。炮孔内药包采用切缝药包,内外径分别为6 mm和8 mm,装药采用叠氮化铅[Pb(N3)2],质量为60 mg,切缝方向呈水平方向,以此来产生水平方向爆生运动裂纹。

图1 倾斜预制裂纹试样模型

2 实验系统及原理

2.1 实验系统

研究采用爆炸载荷动态焦散线实像-虚像综合实验系统[18],同时采集爆炸荷载下的裂纹动态扩展中的实像-虚像信息,综合分析爆炸应力波和爆生运动裂纹与预制倾斜裂纹作用过程。该系统包括:高速摄影1、高速摄影2、激光器、扩束镜、3个场镜、分光镜、2台电脑、高能脉冲点火器以及同步控制器。如图2所示为爆炸载荷动态焦散线实像-虚像综合实验系统示意图。高速摄影1采用Photron FAST SA5彩色高速摄影(CCD传感器)对焦于参考平面1,该参考平面与试件中面的距离z0=1 000 mm,用于拍摄实像,拍摄速度为150 000 帧/s,单幅照片的时间间隔为6.67 μs;高速相机2采用Phantom v2012黑白高速摄影(CMOS传感器)对焦于参考平面2,z0=750 mm,用于拍摄虚像,拍摄速度为400 000 帧/s,单幅照片的时间间隔为2.5 μs。利用焦散线虚像系统可以定量表征压应力作用下裂纹尖端应力场,由于爆炸应力波P波前端为压应力,为了充分研究爆炸应力波P波压应力对裂纹扩展的影响,使得在观测同一采集视场时高速相机2的采样频率要高于高速相机1的采样率。该综合实验系统的工作过程为:激光器发射波长为532 nm的单色光束经过扩束镜发射至场镜1并转化为平行光穿过试样,半透半反镜将该平行光束转化为两束平行光,一束折射90°后穿过场镜3进入高速摄影2,另一束穿过场镜2进入高速摄影1。实验过程中首先将试样垂直固定在实验台上,检查设备连接是否正常,同步控制器根据提前设定的延期时间发出触发信号1和触发信号2,分别用于控制多通道脉冲起爆器引爆炮孔内部炸药和控制两台高速相机开启记录实验数据,最终将实验数据分别传输至两台电脑。

图2 爆炸载荷动态焦散线实像-虚像综合实验系统

2.2 Ⅰ+Ⅱ混合应力强度因子的确定

Ⅰ、Ⅱ型动态应力强度因子计算公式[19]为

(1)

(2)

式中:F(v)为速度对运动裂纹动态应力强度因子影响的调整系数, 为焦散线直径;Dmax为放大系数;λm取值为1;δmax为动态效应对焦散曲线最大横径影响的相关系数,取值为3.170 2;z0为试件中面距相机对焦平面距离,实验中取值为90 mm;c为光弹常数;μ为应力强度因子比。

3 实验结果及分析

3.1 倾斜裂纹尖端焦散斑分析

图3 爆炸应力波与倾斜裂纹相互作用

图4 爆生裂纹与倾斜裂纹相互作用

3.2 倾裂纹扩展轨迹及速度分析

设爆生运动裂纹M1尖端坐标为C1(x1,y1),翼裂纹W1尖端坐标为C2(x2,y2)。同时为了实验观察以预制裂纹中心作为坐标原点。如图5所示为经过数据化处理后的爆生运动裂纹M1与翼裂纹W1的扩展轨迹示意图。在爆炸载荷作用下,首先形成水平方向运动扩展的运动裂纹M1,结合图6其扩展平均速度502.52 m/s,在扩展至倾斜裂纹附近,运动裂纹M1开始向下偏斜,同时其扩展速度迅速下降,直至贯穿倾斜预制裂纹,并在13.34 μs后翼裂纹W1开始形成并扩展,并沿着水平方向运动,直至133.33 μs达到速度峰值436.97 m/s。