工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 丁晨曦杨仁树陈程马鑫民康一强赵勇 Experimental study of the interaction of directional crack and open joint in slit charge blasting DING Chen-xi,YANG Ren-shu,CHEN Cheng.MA Xin-min,KANG Yi-qiang.ZHAO Yong 引用本文： 丁晨曦，杨仁树，陈程，马鑫民，康一强，赵勇.切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究.工程科学学报， 2021,43(7:894-902.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.02.15.001 DING Chen-xi,YANG Ren-shu,CHEN Cheng,MA Xin-min,KANG Yi-qiang.ZHAO Yong.Experimental study of the interaction of directional crack and open joint in slit charge blasting[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(7):894-902.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2021.02.15.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2021.02.15.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 Crack propagation and coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seam 工程科学学报.2020,42(12：1613 https:ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.05.19.001 GH4169合金高温疲劳裂纹扩展的微观损伤机制 Microscopic damage mechanisms during fatigue crack propagation at high temperature in GH4169 superalloy 工程科学学报.2018.40(7)：822 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.07.008 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting 工程科学学报.2020.42(9：外1130 https::/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.10.06.002 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报.2018,40(7)：776 https::/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.07.002 煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨 Effective fracture zone under deep-hole cumulative blasting in coal seam 工程科学学报.2019,41(5：582 https:loi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.05.004 含端部裂隙大理岩单轴压缩破坏及能量耗散特性 Uniaxial compression failure and energy dissipation of marble specimens with flaws at the end surface 工程科学学报.2020,42(12：1588 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.12.07.001
切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 丁晨曦 杨仁树 陈程 马鑫民 康一强 赵勇 Experimental study of the interaction of directional crack and open joint in slit charge blasting DING Chen-xi, YANG Ren-shu, CHEN Cheng, MA Xin-min, KANG Yi-qiang, ZHAO Yong 引用本文: 丁晨曦, 杨仁树, 陈程, 马鑫民, 康一强, 赵勇. 切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究[J]. 工程科学学报, 2021, 43(7): 894-902. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.15.001 DING Chen-xi, YANG Ren-shu, CHEN Cheng, MA Xin-min, KANG Yi-qiang, ZHAO Yong. Experimental study of the interaction of directional crack and open joint in slit charge blasting[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(7): 894-902. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.15.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.15.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 Crack propagation and coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seam 工程科学学报. 2020, 42(12): 1613 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.19.001 GH4169合金高温疲劳裂纹扩展的微观损伤机制 Microscopic damage mechanisms during fatigue crack propagation at high temperature in GH4169 superalloy 工程科学学报. 2018, 40(7): 822 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.008 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting 工程科学学报. 2020, 42(9): 1130 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.06.002 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报. 2018, 40(7): 776 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.002 煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨 Effective fracture zone under deep-hole cumulative blasting in coal seam 工程科学学报. 2019, 41(5): 582 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.004 含端部裂隙大理岩单轴压缩破坏及能量耗散特性 Uniaxial compression failure and energy dissipation of marble specimens with flaws at the end surface 工程科学学报. 2020, 42(12): 1588 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.07.001
工程科学学报.第43卷.第7期：894-902.2021年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.7:894-902,July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.15.001;http://cje.ustb.edu.cn 切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 丁晨曦2)，杨仁树2，)区，陈程2)，马鑫民3引，康一强)，赵勇12 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000833)中国 矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yrs@cumtb.edu.cn 摘要为了探究切缝药包爆破定向裂纹与张开节理的相互作用过程，采用动态焦散线方法，结合高速摄影技术，开展了爆 破模型实验研究.研究结果表明，张开节理对切缝药包爆破定向裂纹的扩展有阻滞作用，定向裂纹不会穿过张开节理继续扩 展，而是在经过与节理相互作用后在节理端部产生两条冀裂纹.当定向裂纹垂直入射时，节理两端的受力状态基本相同，两 条冀裂纹的起裂和扩展行为基本一致，两条冀裂纹的分布状态基本对称.张开节理的几何特征对冀裂纹起裂时的动态应力 强度因子有显著影响.一定程度上决定了翼裂纹起裂的难易程度.当定向裂纹倾斜人射时，节理两端的受力状态存在差异， 靠近定向裂纹人射点的一端能够获得更多的起裂能量，从而优先起裂和扩展，并形成更长的翼裂纹 关键词切缝药包：爆破：张开节理：焦散线：裂纹扩展 分类号TD235 Experimental study of the interaction of directional crack and open joint in slit charge blasting DING Chen-xi2,YANG Ren-shu2,CHEN Cheng 2),MA Xin-min,KANG Yi-giang,ZHAO Yong2) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083, China Corresponding author,E-mail:yrs @cumtb.edu.cn ABSTRACT To explore the interaction between directional crack and open joint in slit charge blasting,a dynamic caustics method and high-speed photography technology were used to carry out the blasting model experiment.In the model experiment,the polymethyl methacrylate (PMMA)was used as the specimen material,the lead azide (Pb(N3))was used as the explosive,and a 3D printed resin material was used as the slit tube.Additionally,varying shapes of the open joint were prefabricated in the specimen.The failure mode of the specimen was described in detail,the initiation and propagation process of the wing crack at two ends of the joint was also analyzed. Research results show that the open joint has a retarding effect on the propagation of the directional crack in slit charge blasting.The directional crack will not continue to propagate through the open joint,but it will produce two wing cracks at the ends of the joint after interacting with the joint.When the directional crack is incident perpendicular to the open joint,the stress state at both the ends of the joint and the initiation and propagation behavior of the two wing cracks are the same,and the distribution state of the two wing cracks is symmetric.The geometric characteristics of the open joint have a significant impact on the dynamic stress intensity factor when the wing 收稿日期：2021-02-15 基金项目：中国博士后科学基金资助项目(2020M680354):国家自然科学基金资助项目(51934001.52074301)：中央高校基本科研业务费专 项资金资助项目(FRF-TP-20-044A1)
切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 丁晨曦1,2)，杨仁树1,2,3) 苣，陈 程1,2)，马鑫民3)，康一强3)，赵 勇1,2) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 3) 中国 矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail：yrs@cumtb.edu.cn 摘 要 为了探究切缝药包爆破定向裂纹与张开节理的相互作用过程，采用动态焦散线方法，结合高速摄影技术，开展了爆 破模型实验研究. 研究结果表明，张开节理对切缝药包爆破定向裂纹的扩展有阻滞作用，定向裂纹不会穿过张开节理继续扩 展，而是在经过与节理相互作用后在节理端部产生两条翼裂纹. 当定向裂纹垂直入射时，节理两端的受力状态基本相同，两 条翼裂纹的起裂和扩展行为基本一致，两条翼裂纹的分布状态基本对称. 张开节理的几何特征对翼裂纹起裂时的动态应力 强度因子有显著影响，一定程度上决定了翼裂纹起裂的难易程度. 当定向裂纹倾斜入射时，节理两端的受力状态存在差异， 靠近定向裂纹入射点的一端能够获得更多的起裂能量，从而优先起裂和扩展，并形成更长的翼裂纹. 关键词 切缝药包；爆破；张开节理；焦散线；裂纹扩展 分类号 TD235 Experimental study of the interaction of directional crack and open joint in slit charge blasting DING Chen-xi1,2) ，YANG Ren-shu1,2,3) 苣 ，CHEN Cheng1,2) ，MA Xin-min3) ，KANG Yi-qiang3) ，ZHAO Yong1,2) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: yrs@cumtb.edu.cn ABSTRACT To explore the interaction between directional crack and open joint in slit charge blasting, a dynamic caustics method and high-speed photography technology were used to carry out the blasting model experiment. In the model experiment, the polymethyl methacrylate (PMMA) was used as the specimen material, the lead azide (Pb(N3 )2 ) was used as the explosive, and a 3D printed resin material was used as the slit tube. Additionally, varying shapes of the open joint were prefabricated in the specimen. The failure mode of the specimen was described in detail, the initiation and propagation process of the wing crack at two ends of the joint was also analyzed. Research results show that the open joint has a retarding effect on the propagation of the directional crack in slit charge blasting. The directional crack will not continue to propagate through the open joint, but it will produce two wing cracks at the ends of the joint after interacting with the joint. When the directional crack is incident perpendicular to the open joint, the stress state at both the ends of the joint and the initiation and propagation behavior of the two wing cracks are the same, and the distribution state of the two wing cracks is symmetric. The geometric characteristics of the open joint have a significant impact on the dynamic stress intensity factor when the wing 收稿日期: 2021−02−15 基金项目: 中国博士后科学基金资助项目（2020M680354）；国家自然科学基金资助项目（51934001，52074301）；中央高校基本科研业务费专 项资金资助项目（FRF-TP-20-044A1） 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：894−902，2021 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 894−902, July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.15.001; http://cje.ustb.edu.cn
丁晨曦等：切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 895· crack is initiated.Moreover,it determines the difficulty of the wing crack initiation to some extent.When the directional crack is incident obliquely,the stress state of the two ends of the joint is different.The end,which is close to the incident point of the directional crack, exhibits more crack initiation energy so that the crack is initiated and propagated preferentially and a longer wing crack is formed. KEY WORDS slit charge;blasting;open joint;caustics;crack propagation 切缝药包定向断裂控制爆破技术能够有效控 纹扩展过程的影响效应值得深入探讨.基于此，本 制爆炸能量的释放，实现爆生裂纹的定向扩展，从 文结合高速摄影和动态焦散线方法，开展切缝药 而减少周边岩体的超、欠挖，保障岩石井巷的周边 包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的模型实验 成型质量.随着岩石井巷爆破工程量的增加，切缝 研究，分析张开节理对定向裂纹扩展的影响，阐明 药包爆破技术正发挥着越来越重要的作用.近年 定向裂纹作用下的节理起裂和扩展机制， 来，许多科研工作者围绕切缝药包和聚能装药爆 1 爆破模型实验设计 破的基础理论开展了研究-)其中，杨仁树等 通过高速纹影实验和超压测试技术分析了切缝药 1.1试件参数 包爆破后爆炸波动流场的变化规律，指出爆生气 采用有机玻璃(PMMA)作为爆破模型实验的 体优先沿切缝方向释放，切缝方向的应力峰值远 试件材料，PMMA在冲击和爆炸荷载作用下具有 大于非切缝方向的，有利于沿切缝方向优先形成 与岩石材料类似的动态断裂特征，并具有较好的 裂纹.程兵等基于光滑粒子流体动力学方法-有 应力光学特性，被广泛用作爆破模型实验的试件 限单元方法(SPH-FEM)耦合方法研究了切缝药包 材料8-2PMMA的动态弹性模量为6.1GPa,泊 的爆破机理，具体分析了切缝药包爆破的爆轰产 松比为0.31.图1为试件的示意图，试件尺寸为 物膨胀过程、爆轰产物粒子运动速度及炮孔周围岩 400mm×300mm×5mm,在试件上采用激光切割的 体的损伤演化历程.Yue等采用动态焦散线实 方法预制炮孔和节理.具体地，炮孔半径R=4mm, 验方法研究了切缝药包爆破的裂纹扩展行为，发 炮孔中心到节理的垂直距离为40mm,节理MW两 个端点M和N之间的距离为b=40mm,节理左侧 现了相邻炮孔间裂纹相互勾连的分布特征.此外， 面到端点M和N的距离为a.激光切割的线宽约 进一步的研究结果指出切缝药包爆破的定向断裂 为0.3mm,因此，采用激光切割的节理面之间存在 效果主要受到切缝宽度和不耦合系数的影响叨. 约0.3mm的缝隙，试件中的节理为张开节理.根 天然岩体中不可避免地存在节理等缺陷，而 据距离α取值的不同，本模型实验共分为3组进 节理对爆炸应力波的传播和爆生裂纹的扩展都有 行，主要研究节理几何特征对切缝药包爆破定向 着显著的影响0-赵安平等3]认为在节理岩体 裂纹与节理相互作用过程的影响.3组模型实验 中爆破时，炸药爆炸能量主要被限制在炮孔和附 分别记为：Sl组(=0mm,节理为直线型)，S2组 件的节理面之间，从而导致炮孔附近区域过于破 (-10mm,节理为半椭圆型)，S3组(=20mm,节 碎，不利于爆破能量的有效利用.谢冰等指出 理为半圆型).每组进行3次重复实验 炮孔间的节理对预裂爆破成缝效果有显著的影 响，预裂缝沿炮孔连线方向的平直程度随节理与 400mm 炮孔连线夹角的增大而逐渐趋于平直.进一步的 研究结果表明，受压闭合节理在爆炸应力波的作 R=4 mm Borehole 用下会在节理端部起裂并扩展形成翼裂纹，该翼 Jont、 裂纹的起裂角度和扩展形态受到初始压应力和爆 h=40 mm 40mm 炸应力波的共同影响1此外，岩石爆破效果还受 到节理方位和节理角度的影响6-) Explosive ◆Slit direction 由此可见，有关切缝药包爆破机理的研究已 经取得丰富研究成果，爆破荷载作用下含节理岩 -Slit tube 体的动态响应也越来越受到人们的关注.然而.切 5 mm 缝药包爆破作用下的节理起裂和扩展等动态行为 图1试件示意图 的研究还不够深入，节理对切缝药包爆破定向裂 Fig.1 Diagram of the specimen
crack is initiated. Moreover, it determines the difficulty of the wing crack initiation to some extent. When the directional crack is incident obliquely, the stress state of the two ends of the joint is different. The end, which is close to the incident point of the directional crack, exhibits more crack initiation energy so that the crack is initiated and propagated preferentially and a longer wing crack is formed. KEY WORDS slit charge；blasting；open joint；caustics；crack propagation 切缝药包定向断裂控制爆破技术能够有效控 制爆炸能量的释放，实现爆生裂纹的定向扩展，从 而减少周边岩体的超、欠挖，保障岩石井巷的周边 成型质量. 随着岩石井巷爆破工程量的增加，切缝 药包爆破技术正发挥着越来越重要的作用. 近年 来，许多科研工作者围绕切缝药包和聚能装药爆 破的基础理论开展了研究[1−3] . 其中，杨仁树等[4] 通过高速纹影实验和超压测试技术分析了切缝药 包爆破后爆炸波动流场的变化规律，指出爆生气 体优先沿切缝方向释放，切缝方向的应力峰值远 大于非切缝方向的，有利于沿切缝方向优先形成 裂纹. 程兵等[5] 基于光滑粒子流体动力学方法−有 限单元方法（SPH−FEM）耦合方法研究了切缝药包 的爆破机理，具体分析了切缝药包爆破的爆轰产 物膨胀过程、爆轰产物粒子运动速度及炮孔周围岩 体的损伤演化历程. Yue 等[6] 采用动态焦散线实 验方法研究了切缝药包爆破的裂纹扩展行为，发 现了相邻炮孔间裂纹相互勾连的分布特征. 此外， 进一步的研究结果指出切缝药包爆破的定向断裂 效果主要受到切缝宽度和不耦合系数的影响[7−9] . 天然岩体中不可避免地存在节理等缺陷，而 节理对爆炸应力波的传播和爆生裂纹的扩展都有 着显著的影响[10−12] . 赵安平等[13] 认为在节理岩体 中爆破时，炸药爆炸能量主要被限制在炮孔和附 件的节理面之间，从而导致炮孔附近区域过于破 碎，不利于爆破能量的有效利用. 谢冰等[14] 指出 炮孔间的节理对预裂爆破成缝效果有显著的影 响，预裂缝沿炮孔连线方向的平直程度随节理与 炮孔连线夹角的增大而逐渐趋于平直. 进一步的 研究结果表明，受压闭合节理在爆炸应力波的作 用下会在节理端部起裂并扩展形成翼裂纹，该翼 裂纹的起裂角度和扩展形态受到初始压应力和爆 炸应力波的共同影响[15] . 此外，岩石爆破效果还受 到节理方位和节理角度的影响[16−17] . 由此可见，有关切缝药包爆破机理的研究已 经取得丰富研究成果，爆破荷载作用下含节理岩 体的动态响应也越来越受到人们的关注. 然而，切 缝药包爆破作用下的节理起裂和扩展等动态行为 的研究还不够深入，节理对切缝药包爆破定向裂 纹扩展过程的影响效应值得深入探讨. 基于此，本 文结合高速摄影和动态焦散线方法，开展切缝药 包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的模型实验 研究，分析张开节理对定向裂纹扩展的影响，阐明 定向裂纹作用下的节理起裂和扩展机制. 1 爆破模型实验设计 1.1 试件参数 采用有机玻璃（PMMA）作为爆破模型实验的 试件材料，PMMA 在冲击和爆炸荷载作用下具有 与岩石材料类似的动态断裂特征，并具有较好的 应力光学特性，被广泛用作爆破模型实验的试件 材料[18−21] . PMMA 的动态弹性模量为 6.1 GPa，泊 松比为 0.31. 图 1 为试件的示意图，试件尺寸为 400 mm×300 mm×5 mm，在试件上采用激光切割的 方法预制炮孔和节理. 具体地，炮孔半径 R=4 mm， 炮孔中心到节理的垂直距离为 40 mm，节理 MN 两 个端点 M 和 N 之间的距离为 b=40 mm，节理左侧 面到端点 M 和 N 的距离为 a. 激光切割的线宽约 为 0.3 mm，因此，采用激光切割的节理面之间存在 约 0.3 mm 的缝隙，试件中的节理为张开节理. 根 据距离 a 取值的不同，本模型实验共分为 3 组进 行，主要研究节理几何特征对切缝药包爆破定向 裂纹与节理相互作用过程的影响. 3 组模型实验 分别记为：S1 组 （a=0 mm，节理为直线型），S2 组 （a=10 mm，节理为半椭圆型），S3 组（a=20 mm，节 理为半圆型）. 每组进行 3 次重复实验. 300 mm 400 mm R=4 mm Borehole Slit tube Explosive Slit direction 40 mm 5 mm b=40 mm a M N Joint 图 1 试件示意图 Fig.1 Diagram of the specimen 丁晨曦等： 切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 · 895 ·
896 工程科学学报，第43卷，第7期 如图2所示，实验中切缝药包管壳为采用树脂 材料通过3D打印技术制作而成.其中，切缝药包 管壳的外径为8mm,管壳厚度为1mm,切缝宽度 为0.7mm,切缝长度为3mm.模型实验中所采用 的炸药为叠氨化铅(PbN32),PbN3h是一种起爆 药，适用于小药量的模型实验研究.PbN3)2的爆热 为1524kJ-kg,爆容为308Lkg,爆速为4478ms 实验中，在切缝药包管壳内装填PbN3h,单孔装药 图23D打印的切缝药包管壳 量为35mg,将金属探针插入炸药中，通过高压放 Fig.2 Slit charge tube by 3D printing 电起爆炸药实现对试件的爆炸加载 1.2实验原理与系统 透射后会发生偏转，使得参考平面的局部区域无 本模型实验主要采用动态焦散线方法2-2训来 光线投射，形成暗区.暗区的轮廓线被称为焦散 研究切缝药包爆破定向裂纹及节理起裂和扩展过 线，焦散线的形状和尺寸分别反映了裂纹尖端的 程中的动态行为.图3为动态焦散线方法的原理 受力状态和应力集中程度.图3中，σ为试件所受 示意图，裂纹尖端局部区域在应力的作用下对光 的应力，D为焦散线的特征尺寸，Z为试件平面到 线的透射特性产生影响，导致垂直入射的光线在 参考平面的距离 Incident Transmission light light Reference plane Incident Bright area light Dark area rack Mode I crack Bright area 4—Z。一 Mode I caustics 图3动态焦散线方法的原理示意图 Fig.3 Principle diagram of the dynamic caustics method 基于动态焦散线方法，采用数字激光动态焦 侧定向裂纹A2、A4和A6则沿切缝方向扩展至节 散线实验系统开展实验研究.由于爆破加载的瞬 理处，均未穿过节理.由此可见，与闭合节理或充 态性，为了捕捉实验中切缝药包爆破定向裂纹及 填节理不同的是，张开节理对裂纹的扩展具有显 节理起裂和扩展的全过程，实验系统中高速相机 著的阻滞作用，显著影响了切缝药包爆破定向裂 的拍摄速度设定为每帧100000s,即相邻两张照 纹的扩展.此外，3个试件均在节理端部M和N处 片之间的时间间隔为10s. 萌生并扩展出翼裂纹，两端翼裂纹的扩展形态和 分布状态基本相同 2试件破坏形态与裂纹分布 对节理端部M和N处萌生并扩展的翼裂纹长 3组实验完成后，对照分析发现组内试件的破 度1及其与切缝方向（水平方向）的夹角0进行测 坏形态具有很好的可重复性，每组实验随机抽取 量和统计，统计结果如表1所示.同一试件节理端 1个试件进行分析，分别记为试件S1-1、S2-1和 部产生的两条翼裂纹长度及其与切缝方向夹角基 S3-1.图4为爆破后试件破坏形态与裂纹分布，切 本相同，3个试件的翼裂纹长度平均值分别为 缝药包爆破后，沿切缝方向（水平方向）形成了两 57.7、51.4和61.8mm,3个试件的翼裂纹与切缝方 条平直的定向裂纹，并在非切缝方向形成了数条 向的夹角平均值分别为10.4°、11.1和14.3°.可见， 较短的爆生次裂纹，切缝药包爆破达到了良好的 节理的几何特征对翼裂纹起裂夹角和扩展长度均 定向断裂效果.其中，3个试件的左侧定向裂纹 有影响.其中，试件S2-1的翼裂纹扩展长度最小， A1、A3和A5沿切缝方向扩展至贯穿试件：而右 而试件S3-1的翼裂纹扩展长度最大
如图 2 所示，实验中切缝药包管壳为采用树脂 材料通过 3D 打印技术制作而成. 其中，切缝药包 管壳的外径为 8 mm，管壳厚度为 1 mm，切缝宽度 为 0.7 mm，切缝长度为 3 mm. 模型实验中所采用 的炸药为叠氮化铅（Pb(N3 )2），Pb(N3 )2 是一种起爆 药，适用于小药量的模型实验研究. Pb(N3 )2 的爆热 为 1524 kJ·kg−1，爆容为 308 L·kg−1，爆速为 4478 m·s−1 . 实验中，在切缝药包管壳内装填 Pb(N3 )2，单孔装药 量为 35 mg，将金属探针插入炸药中，通过高压放 电起爆炸药实现对试件的爆炸加载. 1.2 实验原理与系统 本模型实验主要采用动态焦散线方法[22−24] 来 研究切缝药包爆破定向裂纹及节理起裂和扩展过 程中的动态行为. 图 3 为动态焦散线方法的原理 示意图，裂纹尖端局部区域在应力的作用下对光 线的透射特性产生影响，导致垂直入射的光线在 透射后会发生偏转，使得参考平面的局部区域无 光线投射，形成暗区. 暗区的轮廓线被称为焦散 线，焦散线的形状和尺寸分别反映了裂纹尖端的 受力状态和应力集中程度. 图 3 中，σ 为试件所受 的应力，D 为焦散线的特征尺寸，Z0 为试件平面到 参考平面的距离. Z0 Bright area D Incident light Crack σ Reference plane σ Mode I caustics Mode I crack Incident light Transmission light Bright area Dark area 图 3 动态焦散线方法的原理示意图 Fig.3 Principle diagram of the dynamic caustics method 基于动态焦散线方法，采用数字激光动态焦 散线实验系统开展实验研究. 由于爆破加载的瞬 态性，为了捕捉实验中切缝药包爆破定向裂纹及 节理起裂和扩展的全过程，实验系统中高速相机 的拍摄速度设定为每帧 100000 s −1，即相邻两张照 片之间的时间间隔为 10 μs. 2 试件破坏形态与裂纹分布 3 组实验完成后，对照分析发现组内试件的破 坏形态具有很好的可重复性，每组实验随机抽取 1 个试件进行分析，分别记为试件 S1−1、S2−1 和 S3–1. 图 4 为爆破后试件破坏形态与裂纹分布，切 缝药包爆破后，沿切缝方向（水平方向）形成了两 条平直的定向裂纹，并在非切缝方向形成了数条 较短的爆生次裂纹，切缝药包爆破达到了良好的 定向断裂效果. 其中，3 个试件的左侧定向裂纹 A1、A3 和 A5 沿切缝方向扩展至贯穿试件；而右 侧定向裂纹 A2、A4 和 A6 则沿切缝方向扩展至节 理处，均未穿过节理. 由此可见，与闭合节理或充 填节理不同的是，张开节理对裂纹的扩展具有显 著的阻滞作用，显著影响了切缝药包爆破定向裂 纹的扩展. 此外，3 个试件均在节理端部 M 和 N 处 萌生并扩展出翼裂纹，两端翼裂纹的扩展形态和 分布状态基本相同. 对节理端部 M 和 N 处萌生并扩展的翼裂纹长 度 l 及其与切缝方向（水平方向）的夹角 θ 进行测 量和统计，统计结果如表 1 所示. 同一试件节理端 部产生的两条翼裂纹长度及其与切缝方向夹角基 本相同 ， 3 个试件的翼裂纹长度平均值分别 为 57.7、51.4 和 61.8 mm，3 个试件的翼裂纹与切缝方 向的夹角平均值分别为 10.4º、11.1º和 14.3º. 可见， 节理的几何特征对翼裂纹起裂夹角和扩展长度均 有影响. 其中，试件 S2–1 的翼裂纹扩展长度最小， 而试件 S3–1 的翼裂纹扩展长度最大. 图 2 3D 打印的切缝药包管壳 Fig.2 Slit charge tube by 3D printing · 896 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期
丁晨曦等：切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 897. (a) 与此同时，节理端部起裂并扩展形成翼裂纹B1和 B2.此后，两条翼裂纹持续扩展，直至=220us,翼 裂纹止裂.对于试件S2-1,爆炸应力波传播至节 理处时，在节理面处反射，在节理端部绕射，导致 节理端部发生明显的应力集中并出现焦散线.在 爆炸应力波的作用下，节理端部虽然发生应力集 (b) 中，但未发生翼裂纹起裂.随后，=60s时，定向裂 纹A4扩展至节理中部位置并与节理相互作用， =80s时，节理端部起裂并扩展形成翼裂纹B3 和B4,两条翼裂纹持续扩展直至止裂.与试件 S2-1类似，对于试件S3-1,节理端部在爆炸应力 波的作用下发生应力集中，但始终未发生翼裂纹 (c) 起裂，直至=50s时，定向裂纹A6扩展至节理中 部位置并与节理相互作用，随后仁80s时，节理端 部起裂并扩展形成翼裂纹B5和B6,并于=230us 时，翼裂纹止裂 通过对上述3个试件的裂纹起裂和扩展过程 图4爆破后试件破坏形态与裂纹分布.(a)试件S1-1:(b)试件S2-1: 进行对比，可以发现，切缝药包爆破产生的爆生气 (c)试件S3-1 体主要沿切缝方向释放，是定向裂纹起裂和持续 Fig.4 Fracture pattems and crack distributions of the specimens after 扩展的主要动力.此外，试件S1-1的节理端部在 blasting:(a)specimen S1-1;(b)specimen S2-1;(c)specimen S3-1 爆炸应力波的作用下未产生应力集中，而试件 3定向裂纹与节理相互作用分析 S2-1和试件S3-1的节理在爆炸应力波的作用下 却产生显著的应力集中，这主要是由于节理端部 3.1相互作用过程 切线方向与爆炸应力波入射方向夹角的差异导致 以炸药起爆时刻记为=0s,图5所示为3个 的.但即使如此，爆炸应力波作用下的节理端部应 试件在爆破过程中裂纹起裂与扩展的动态焦散线 力集中仍未达到起裂韧度，试件S2-1和试件 系列照片.实验中，高速相机的拍摄视场越大，拍 S3-1节理端部并未在爆炸应力波的作用下发生起 摄速度越低.因此，受限于高速相机的性能，在保 裂和扩展行为.3个试件节理端部均在定向裂纹 证拍摄速度的前提下，高速相机只能拍摄一侧定 与节理相互作用后的20~30μs时发生翼裂纹的 向裂纹的扩展过程.对于试件S1-1,炸药爆炸后， 起裂.因此，节理端部翼裂纹的起裂不仅仅是爆炸 爆炸应力波由炮孔向四周传播，=20s时，爆炸应 应力波作用的结果，更是由定向裂纹与节理相互 力波传播至节理处并发生发射，切缝药包爆破产 作用而直接导致的.3组实验中，切缝药包爆破定 生的定向裂纹A2在高速相机视场中出现.60us 向裂纹的扩展方向垂直于节理（定向裂纹垂直入 时，定向裂纹A2扩展至节理中部位置，这一过程 射)，使得定向裂纹与节理相互作用后，节理端部 中，节理端部在爆炸应力波的作用下未发生明显 M和N的受力状态基本一致，最终使得两端翼裂 的应力集中，端部翼裂纹未起裂.随后，定向裂纹 纹的扩展行为和分布状态基本对称 A2与节理相互作用，大约20s以后，即=80s 为了进一步探究定向裂纹与节理的相互作用 时，节理端部发生明显的应力集中并出现焦散线， 过程，验证定向裂纹扩展方向对节理端部翼裂纹 表1翼裂纹长度及其与切缝方向的夹角统计表 Table 1 Lengths of the wing cracks and their included angles with the slits Specimen S1-1 Specimen S2-1 Specimen S3-1 Wing crack B1 B2 Average value B3 B4 Average value B5 B6 Average value Length/mm 56.8 58.5 57.7 50.3 52.5 51.4 63.1 60.4 61.8 Angle/() 10.2 10.6 10.4 11.6 10.6 11.1 13.8 14.8 14.3
3 定向裂纹与节理相互作用分析 3.1 相互作用过程 以炸药起爆时刻记为 t=0 μs，图 5 所示为 3 个 试件在爆破过程中裂纹起裂与扩展的动态焦散线 系列照片. 实验中，高速相机的拍摄视场越大，拍 摄速度越低. 因此，受限于高速相机的性能，在保 证拍摄速度的前提下，高速相机只能拍摄一侧定 向裂纹的扩展过程. 对于试件 S1–1，炸药爆炸后， 爆炸应力波由炮孔向四周传播，t=20 μs 时，爆炸应 力波传播至节理处并发生发射，切缝药包爆破产 生的定向裂纹 A2 在高速相机视场中出现. t=60 μs 时，定向裂纹 A2 扩展至节理中部位置，这一过程 中，节理端部在爆炸应力波的作用下未发生明显 的应力集中，端部翼裂纹未起裂. 随后，定向裂纹 A2 与节理相互作用，大约 20 μs 以后，即 t=80 μs 时，节理端部发生明显的应力集中并出现焦散线， 与此同时，节理端部起裂并扩展形成翼裂纹 B1 和 B2. 此后，两条翼裂纹持续扩展，直至 t=220 μs，翼 裂纹止裂. 对于试件 S2–1，爆炸应力波传播至节 理处时，在节理面处反射，在节理端部绕射，导致 节理端部发生明显的应力集中并出现焦散线. 在 爆炸应力波的作用下，节理端部虽然发生应力集 中，但未发生翼裂纹起裂. 随后，t=60 μs 时，定向裂 纹 A4 扩展至节理中部位置并与节理相互作用， t=80 μs 时，节理端部起裂并扩展形成翼裂纹 B3 和 B4，两条翼裂纹持续扩展直至止裂. 与试件 S2–1 类似，对于试件 S3–1，节理端部在爆炸应力 波的作用下发生应力集中，但始终未发生翼裂纹 起裂，直至 t=50 μs 时，定向裂纹 A6 扩展至节理中 部位置并与节理相互作用，随后 t=80 μs 时，节理端 部起裂并扩展形成翼裂纹 B5 和 B6，并于 t=230 μs 时，翼裂纹止裂. 通过对上述 3 个试件的裂纹起裂和扩展过程 进行对比，可以发现，切缝药包爆破产生的爆生气 体主要沿切缝方向释放，是定向裂纹起裂和持续 扩展的主要动力. 此外，试件 S1–1 的节理端部在 爆炸应力波的作用下未产生应力集中 ，而试件 S2–1 和试件 S3–1 的节理在爆炸应力波的作用下 却产生显著的应力集中，这主要是由于节理端部 切线方向与爆炸应力波入射方向夹角的差异导致 的. 但即使如此，爆炸应力波作用下的节理端部应 力集中仍未达到起裂韧度 ，试 件 S2 – 1 和 试 件 S3–1 节理端部并未在爆炸应力波的作用下发生起 裂和扩展行为. 3 个试件节理端部均在定向裂纹 与节理相互作用后的 20～30 μs 时发生翼裂纹的 起裂. 因此，节理端部翼裂纹的起裂不仅仅是爆炸 应力波作用的结果，更是由定向裂纹与节理相互 作用而直接导致的. 3 组实验中，切缝药包爆破定 向裂纹的扩展方向垂直于节理（定向裂纹垂直入 射），使得定向裂纹与节理相互作用后，节理端部 M 和 N 的受力状态基本一致，最终使得两端翼裂 纹的扩展行为和分布状态基本对称. 为了进一步探究定向裂纹与节理的相互作用 过程，验证定向裂纹扩展方向对节理端部翼裂纹 表 1 翼裂纹长度及其与切缝方向的夹角统计表 Table 1 Lengths of the wing cracks and their included angles with the slits Wing crack Specimen S1-1 Specimen S2-1 Specimen S3-1 B1 B2 Average value B3 B4 Average value B5 B6 Average value Length / mm 56.8 58.5 57.7 50.3 52.5 51.4 63.1 60.4 61.8 Angle / (º) 10.2 10.6 10.4 11.6 10.6 11.1 13.8 14.8 14.3 A1 (a) (b) (c) A2 B1 B2 A3 A4 B3 B4 A5 A6 B5 B6 图 4 爆破后试件破坏形态与裂纹分布. （a）试件 S1-1；（b）试件 S2-1； （c）试件 S3-1 Fig.4 Fracture patterns and crack distributions of the specimens after blasting: (a) specimen S1-1; (b) specimen S2-1; (c) specimen S3-1 丁晨曦等： 切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 · 897 ·