摘要:利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统，进行双孔爆破爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展试验。研究了含水平预制裂纹和竖直预制裂纹的介质裂纹扩展路径、速度、加速度和裂尖动态应力强度因子变化规律。试验结果表明：在爆炸应力波作用下，预制裂纹尖端起裂，并扩展。炸药爆炸后，主裂纹的扩展速度迅速达到峰值，之后开始振荡减小，其加速度呈现波浪起伏式的振荡变化。次裂纹起裂后速度增大至峰值，然后开始减小。主裂纹尖端的动态应力强度因子KⅠ从峰值振荡减小，又振荡增加至第二个峰值，之后振荡减小。次裂纹尖端的动态应力强度因子KⅠ达到最大时，次裂纹起裂，之后KⅠ振荡减小。裂纹扩展的过程中KⅡ基本都小于KⅠ。
关键词:双孔爆破,缺陷介质,裂纹扩展,动焦散试验,动态应力强度因子
在工程岩体爆破中，缺陷如断层、层理、节理、裂隙对应力波的传播有着重要的影响。所以，研究缺陷对爆炸荷载下裂纹扩展的影响有着重要的意义。爆炸作用下含缺陷介质的动态断裂一直是人们非常关注的问题，其动态断裂行为与静态时差异较大。当爆炸载荷所引起的应力波与裂纹相互作用时，裂纹尖端的动态应力强度因子将因介质结构和裂纹模式的变化而不断发生改变，并具有不同的起裂和止裂条件以及扩展行为。同时，运动的裂纹的也对应力波的传播起到不同的散射作用，因此存在着各种应力波与裂纹间的相互作用关系。
Chen和Sih从理论上研究了裂纹对冲击载荷的瞬态响应以及应力波在静止和运动裂纹周围的散射[1]。DBonamy和KRavi-Chandar研究了剪切波引起了裂纹尖端的扰动但没有造成分叉现象[2]。KRAVI-CHANDAR和WGKNAUSS采用高速相机等手段，研究了不同方向的应力波与运动裂纹相互作用以及裂纹尖端应力强度因子的变化规律[3]。Dally利用动态光弹实验，研究了爆炸应力波的传播过程以及与裂纹、孔洞的相互作用[4]。HPRossmanith和WLFourney利用动光弹试验方法和线弹性断裂力学理论，研究了爆炸应力波在静态裂纹尖端的衍射和裂尖起裂的规律[5]。HPRossmanith和AShukla利用理论分析和动光弹试验，研究了不同入射角度爆炸应力波和爆生裂纹的作用机理，分析了不同入射波在运动裂纹处的反射、散射和衍射等现象，得到了应力强度因子与裂纹扩展速度的变化曲线以及裂纹分叉的位置等结果[6]。郭占起等采用动态光弹性的方法，研究了不同爆炸加载参数下含裂纹试件的动态响应[7]。王明洋等运用应力波通过裂隙传播理论，分析了爆炸应力波通过节理裂隙带的衰减规律[8]。李夕兵研究了应力波在软弱结构面的传播过程，得到了相应的透反射系数和应力波作用下结构面是否滑移的判据[9]。朱振海利用动态光弹性方法，分别观察了爆炸应力波与爆炸产生的静止的径向裂纹相互作用以及由自由边界来的反射波与扩展中的裂纹相互作用的动态过程[10-12];模拟研究爆炸应力波在正入射和斜入射条件下与扩展裂纹的相互作用，分析了裂纹与应力波相互作用以及P波与裂纹相互作用的机理以及径向裂纹的初始方向对裂纹重新扩展的影响。由于应力波与缺陷（裂纹)作用这个问题自身的复杂性，只有上述少数学者和科研人员对其进行了一些理论研究和实验探索。本文利用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统，进行双孔爆破爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展试验，分析了缺陷尖端动态力学参数的变化规律。
1试验简介
1. 1试件及加载
试验模型材料为有机玻璃板（PMMA)，规格400mm×300mm×5mm，有机玻璃的动态力学参数如表1。两炮孔位于试件中央，间距120mm，炮孔直径6mm，在两炮孔相对的壁面上切槽，切槽角度α为60°，切槽深度h为1mm。在试件中央预制裂纹，长15mm，宽1mm，分别做（a)水平预制和（b)竖直预制，如图1。每孔装入140mg叠氮化铅单质炸药。炮孔中插上起爆信号探针，将试件固定在加载架上，炮孔两侧用铁夹夹紧，两炮孔同时起爆。设置高速摄影机的拍照时间间隔为1/3μs。
3试验结果及分析
3.1试验照片及裂纹扩展路径
图5为试件破坏后的照片，图6为获得的数字激光动态焦散斑照片。由图5（a)和图6（a)可看出，炸药爆炸后产生强冲击波，冲击波很快衰减为应力波，使得有机玻璃板产生强烈的塑形变形。t=20μs时，切槽方向开始出现两条主裂纹aA和aB，相向扩展。受应力波的作用，预制裂纹两端产生应力集中，有焦散斑出现，但预制裂纹尖端并未扩展。t=100μs时，焦散斑的直径达到最大值9.4mm，预制裂纹尖端产生的次裂纹aC和aD开始扩展，之后裂纹aA和aC、aB和aD分别交汇，并移向异方已有裂纹面。由图5（b)和图6（b)可看出，主裂纹bA、bB最终于预制裂纹贯通，预制裂纹尖端的次裂纹bC、bD在t=150μs时起裂，沿竖直方向扩展约5mm。
强度因子KⅠ由t=33.3μs时的第一个峰值3.87MN/m3/2，开始振荡减小，t=123.3μs时，降低至最小值1.29MN/m3/2，之后振荡增加，t=156.7μs时增至第二个峰值2.94MN/m3/2，之后振荡减小至裂纹止裂。这种振荡性充分体现了应力波与裂纹的相互作用。之所以出现第二个峰值，可能是因为由边界反射的拉伸应力波再次到达裂纹尖端，对其扩展产生了影响。次裂纹未扩展前，其预制裂纹的尖端已经有应力强度因子产生，且随着应力波在试件中的传播而呈现振荡变化，由图9（a)t=100μs时，次裂纹aD尖端的动态应力强度因子KⅠ达到最大值2.36MN/m3/2，此时裂纹开始扩展，之后KⅠ振荡减小。由图9（b)，t=150μs时，次裂纹bD尖端的动态应力强度因子KⅠ达到最大值2.67MN/m3/2，此时裂纹开始扩展，之后KⅠ振荡减小。次裂纹尖端应力强度因子的变化曲线也反映了预制裂纹两端在应力波作用下能量积聚、释放以及裂纹起裂、扩展的过程，爆炸应力波传播到预制裂纹面时发生反射、透射、绕射等，消耗大量能量，并在预制裂纹两端出现应力集中现象，此时能量逐渐积累，动态应力强度因子不断振荡增大，能量积聚到一定程度后，预制裂纹两端起裂，动态应力强度因子开始下降，随着应力波的衰减，驱动裂纹扩展的能量逐渐减弱，裂纹尖端的动态应力强度因子逐渐减小。动态应力强度因子KⅡ一直在不断的振荡变化，总体呈下降的趋势。裂纹扩展的过程中KⅡ基本都小于KⅠ，说明应力波与裂纹尖端相互作用过程中，P波起到了主要作用，S波的作用次之。KⅠ、KⅡ的振荡性变化充分体现了应力波对裂纹扩展的影响。这些都为研究定向断裂控制爆破提供了有效的试验依据。
4结论
采用爆炸加载数字激光动态焦散线试验系统，对设置垂直与平行两组裂纹的有机玻璃双孔模型，进行了定向断裂爆炸试验。根据试验结果分析了两组预制裂纹的扩展路径、速度、加速度和裂尖动态应力强度因子变化规律。得到如下结论:
（1) 在爆炸应力波作用下，预制裂纹尖端起裂，并扩展。水平预制裂纹时，次裂纹与相向主裂纹分别交汇，并移向异方已有裂纹面。竖直预制裂纹时，次裂纹沿原有竖直方向扩展5mm。
（2)炸药爆炸后，主裂纹的扩展速度迅速达到峰值，之后开始振荡减小，其加速度呈现波浪起伏式的振荡变化。次裂纹起裂后速度增大至峰值，然后开始减小。
（3)主裂纹尖端的动态应力强度因子KⅠ从峰值振荡减小，又振荡增加至第二个峰值，之后振荡减小。次裂纹尖端的动态应力强度因子KⅠ达到最大时，次裂纹起裂，之后KⅠ振荡减小。裂纹扩展的过程中KⅡ基本都小于KⅠ。这种振荡性变化充分体现了应力波对裂纹扩展的影响。
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