岩体爆破裂纹扩展速度实验研究

1 mm ; 铅笔芯传感器的电阻值为 150 8 · m - 1左右, 抗 拉 强 度 比 较 低 ( 约 0. 8 M Pa～ 1. 0 M Pa) ; 细漆包线做传感器也较多。 记录 波型的仪器较多, 中南工大用 BC2 型瞬态 波 形 存 贮 器; 中 科 院 武 汉 岩 土 力 学 所 用 FDA S24 型高速数据采集系统[3] 并用微机进 行数据处理。
V3
V4
平均速度 m ·s- 1
0 0. 96 2. 64 3. 00 -
1042 595 735 -
791
0 1. 92 4. 48 7. 04 10. 24 521 391 391 313
404
模型编号 1 2
表 2 铅 笔 芯 传 感 器 测 得 的 裂 纹 扩 展 速 度
铅芯间距 mm
铅芯条数
1. 2 裂纹扩展速度的变化过程 按照格里菲斯 (G riffith ) 的脆性破坏理
论, 当物体裂纹尖端附近的应力强度因子 K I 达到临界值 K IC 时, 裂纹才开始扩展。但是有 人发现, 不少的脆性材料 K I < K IC 时裂纹也 开始扩展, 有人把裂纹扩展速度归纳为[1]: 亚 临界、临界、稳定扩展等三个变化过程如图 1, 其含意:
式中 V —— 裂纹扩展速度;
C p —— 介质中的纵波速度;
a0 —— 初始裂纹长度;
a —— 扩展后的裂纹长度。
由上式可知, 裂纹扩展速度存在一个极
限值, 即
图 1 裂纹扩展的变化过程 - 亚临界; - 临界; - 稳定扩展
1. 3 爆破作用下固体介质断裂过程 经研究发现固体介质的断裂过程, 大致
故 V m ax = 0. 58C p
(3)
2. 3 武汉水利电力大学提出的计算式[2]
(1) 稳定的速度扩展。假定裂纹的起裂与
止裂都是瞬间发生的, 并且裂纹一旦起裂后
即以稳定的速度扩展。按 G riffith 理论, 裂纹
的稳定扩展速度
V s = 0. 38C p
(4)
(2) 爆生气体驱动的裂纹扩展速度。其
程, 在时间上差几个数量级, 在高加载速率 下, 这段时间可能只有几微秒至几十微秒。
大量实验证明, 岩石的断裂破坏效果与 作用力大小、荷载作用时间的长短、变形速度 的急缓有关。
究, 爆炸波的高速冲击 (或应力波高速传递) 作用首先作用于孔壁岩石产生初期 (孔壁周 边) 径向裂纹。通过分析计算炮孔周边径向裂 纹尖端的应力强度因子, 认为爆生气体驱动 的裂纹扩展可分为稳定扩展和非稳定扩展两
2000 年 6 月 岩体爆破裂纹扩展速度实验研究 张志呈 ·1·
岩体爆破裂纹扩展速度实验研究Ξ
张志呈 西南工学院 (四川, 621002)
[ 摘 要 ] 爆破过程中, 介质的破裂是由裂纹发展的过程决定的。因此, 研究裂纹扩展规律必须研 究扩展速度, 对探讨岩石断裂控制爆破机理, 具有重要意义。 文章介绍了岩石的断裂现象、裂纹扩 展速度的变化过程、断裂速度的理论计算方法以及一些实验结果与影响裂纹扩展的因素。 [ 关键词 ] 断裂控制 扩展规律 断裂现象 [ 分类号 ] TD 235. 371 O 39
可分为加速、准匀速和减速三种形式。炮孔之 间的裂纹贯通过程和炮孔与自由面之间的裂 纹扩展过程是不同的。 所以确定断裂控制爆 破孔间距和最小抵抗线的值时, 应考虑裂纹 扩展速度上的差别。 2 爆破裂纹扩展速度的理论计算方法
爆破裂纹扩展速度的定量分析, 目前还 没有比较成熟的统一认识, 通过大量分析研
V m ax = 0. 38C p 2. 2 STRON 对裂纹扩展速度的观点
总长度;
L 1 ( t) —— 爆生气体在裂纹中的贯入
长度;
L o —— 应力波作用下产生的径向
裂纹初始长度 L o = 3R ;
V em —— 气体在裂纹中的运动速度
(不可能大于气体的当地
音速) ; C —— 气体的当地音速, 其值:
C = (dp dΘ) 1 2;
我们知道, 岩石介质是由晶体或不定型 体通过粘连接物接起来的, 通常含有空隙与 裂纹, 在爆炸等动荷载作用下, 将发生扩展、 分岔、合并等现象, 从断裂力学的观点看三种
现象的含义为: (1) 在应力波与介质中的天然裂纹相互
作用时, 如果裂纹尖端的应力强度因子 K I 达 到材料抵抗动态断裂韧性指标 —— 断裂韧 度 K Id , 岩石就失稳产生新的裂纹。
An Exper im en ta l Study of Crack Expan s ion Speed in Rock Bla sting
Zhang Zh icheng Sou thw est In stitu te of Engineering (Sichuan, 621002) [AB STRA CT ] In the rock b la sting, the rup tu re of the m edium is dep enden t on the p rogress of crack exp an sion. T herefo re, the study of the rup tu re exp an sion sp eed is very im po rtan t fo r the study of rup tu re exp an sion m echan ism and it is of grea t sign ificance in the con tro lled b la sting of rock. T he rup tu re p henom enon of rock, the tran sfom a tion of rup tu re exp an sion sp eed and the theo retica l ca lcu la tion of exp an sion sp eed a re here given. T he test da ta and the influence facto rs a re a lso discu ssed in deta ils. [KEY W O RD S ] rup tu re con tra l, p rincip le of exp an sion, rup tu re p henom enon
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2000 年 6 月 岩体爆破裂纹扩展速度实验研究 张志呈 ·3·
Ξ 四川省科委资助项目。 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
·2· 爆 破 器 材 Exp lo sive M aterials 第 29 卷第 3 期
动速度。 该问题用以下方法可以参考应用。
2. 1 莫特 (M o tt) 对裂纹扩展速度的研究 莫特的研究认为, 当加载到格里菲斯极
限状态时, 作了裂纹扩展速度和物体内的音 速相比要“小”的假设, 得出泊松比 Λ = 0. 25 时的裂纹扩展速度表达式:
V = 0. 38C p 1 -
a0 a
(1)
(2) 当 K I < K Id 时, 裂纹将以较快的速 度传播。
(3) 当 K I 超过这种岩石的分岔韧性 K Ib, 裂隙会发生分岔。
从岩石裂纹扩展可知, 当一阶段荷载施 加于裂纹表面裂纹尖端的应力强度因子并不 是立即上升到与固体材料的临界应力相对应 的值, 而是从零开始逐渐增加, 首先达到静态 应力强度因子, 然后继续上升, 直到达到动态 应力强度因子。在这一过程中, 裂纹经历了起 动、非稳定扩展等阶段, 这个过程与静力过
Χ—— 绝热膨胀指数。
3 岩石爆破裂纹扩展速度试验
岩石爆破裂纹扩展实验的模型主要有动
态光弹性模, 多采用环氧树脂模型。电测模型
主要采用石膏模型和水泥砂浆模型, 也有用
岩石材料作模型。 电测法的常用模型有水泥
砂浆模型, 也有用岩石材料作模型。电测法常
用传感器有裂纹片传感器, 国产型号为 T S52 10 型裂纹片, 其电阻 5. 2 8 , 电阻丝的间距为
从试验结果可以看出, 裂纹开裂时的随 机性很大, 其原因是裂纹的开裂速度与其动 力过程和约束条件等因素有关。
3. 2 动态光弹性模拟爆破试验 根据动态光弹性模拟爆破试验, 绘制成
裂纹扩展的速率2时间 ( V 2t 图) 关系曲线[4], 见图 2。
从图 2 中可见, 径向裂纹的扩展有两种 类型。 一种是裂纹扩展速度由高逐渐降低直
·4· 爆 破 器 材 Exp lo sive M aterials 第 29 卷第 3 期
式计算内部裂纹发展的平均速度[ 5 ]: V = K R Χb Α = 830 R Χb 1. 15 (8)
至止裂见图2 (a) ; 另一种是裂纹的扩展经历 两个阶段, 前期阶段的速率由高降至很低或 零; 尔后又进入后期扩展, 速率出现上下波
模型 栅丝 编号 条数
1
5
2
5
表 1 栅 丝 传 感 器 测 得 的 裂 纹 扩 展 速 度 分 布
栅丝断开时间 Λs
t1
t2
T3
T4
t5
速度分布 m s- 1
V1
V2
亚临界状态 ——K I < K IC 时仍能稳定 扩展的裂纹;
临界状态 ——K I = K IC 时裂纹开始扩 展;
稳定扩展 ——K I ≥ K IC 时裂纹快速稳 定扩展。
个阶段[2], 而非稳定扩展阶段实际是裂纹的 间 断 扩 展 过 程。 裂 纹 的 稳 定 扩 展 速 度 由
G riffith 理论确定, 而非稳定扩展阶段其平均 扩展速度取决于爆生气体在裂纹中的膨胀流