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 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 ·

898 工程科学学报，第43卷，第7期 起裂和扩展行为的影响，在上述3组实验的基础 生应力集中并起裂形成翼裂纹B8,随后节理端部 上设计了1组验证实验，记为S4组，验证实验 M处也发生应力集中并起裂形成翼裂纹B7.此 S4组的试件参数参照S1组，只是验证实验组的切 后，两条翼裂纹持续扩展直至止裂，可以发现，在 缝方向与水平方向夹角为30°，使得定向裂纹扩展 翼裂纹扩展过程中，先起裂翼裂纹B8的尖端焦散 方向倾斜，从而改变定向裂纹与节理相互作用的 线尺寸始终明显大于后起裂翼裂纹B7,说明翼裂 入射角度.在S4组中随机抽取一个试件进行分 纹B8的尖端应力集中程度较大，最终导致翼裂纹 析，记为试件S4-1,图6为试件S4-1爆破过程中 B8的扩展长度显著大于翼裂纹B7.这主要是由于 裂纹起裂与扩展的动态焦散线系列照片，=60us 定向裂纹A7入射角度的差异，导致定向裂纹 时，切缝药包爆破产生的定向裂纹A7倾斜进入节 A7在与节理相互作用过程中的能量优先在节理 理.在定向裂纹A7的作用下，节理端部N处先发 端部N处释放.验证实验组的分析进一步证明节 (a) Blasting stress wave Clamp =10s =20μs =30μs Directional crack A2 =50s =60us =80Hs B2 110μs =150μs =2205 (b) Reflected Blasting stress wave stress wave Caustics =10s =30μs =40us B3 Directional crack A4 B4 =50Is =60s =80s 4 =100Hs =150us =210us

起裂和扩展行为的影响，在上述 3 组实验的基础 上设计 了 1 组验证实验 ，记 为 S4 组 ，验证实 验 S4 组的试件参数参照 S1 组，只是验证实验组的切 缝方向与水平方向夹角为 30º，使得定向裂纹扩展 方向倾斜，从而改变定向裂纹与节理相互作用的 入射角度. 在 S4 组中随机抽取一个试件进行分 析，记为试件 S4–1，图 6 为试件 S4–1 爆破过程中 裂纹起裂与扩展的动态焦散线系列照片，t=60 μs 时，切缝药包爆破产生的定向裂纹 A7 倾斜进入节 理. 在定向裂纹 A7 的作用下，节理端部 N 处先发 生应力集中并起裂形成翼裂纹 B8，随后节理端部 M 处也发生应力集中并起裂形成翼裂纹 B7. 此 后，两条翼裂纹持续扩展直至止裂，可以发现，在 翼裂纹扩展过程中，先起裂翼裂纹 B8 的尖端焦散 线尺寸始终明显大于后起裂翼裂纹 B7，说明翼裂 纹 B8 的尖端应力集中程度较大，最终导致翼裂纹 B8 的扩展长度显著大于翼裂纹 B7. 这主要是由于 定向裂 纹 A7 入射角度的差异 ，导致定向裂 纹 A7 在与节理相互作用过程中的能量优先在节理 端部 N 处释放. 验证实验组的分析进一步证明节 Joint Clamp Blasting stress wave t=10 μs t=20 μs t=30 μs Directional crack A2 Caustics Caustics B1 B2 t=50 μs t=60 μs t=80 μs B1 B2 t=110 μs t=150 μs t=220 μs (a) Blasting stress wave Reflected stress wave Caustics t=10 μs t=30 μs t=40 μs Directional crack A4 Caustics B3 B4 t=50 μs t=60 μs t=80 μs B3 B4 t=100 μs t=150 μs t=210 μs (b) · 898 · 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 899· (c) Directional crack A6 =10μ5 =30us =40s B5 B6 仁50μ5 =60Hs =80s B5 =100us =160us =230s 图5爆破过程中裂纹起裂与扩展的动态焦散线系列照片.(a)试件S1-l:(b)试件S2-1:(c)试件S3-1 Fig.5 Dynamic caustics photos of the crack initiation and propagation during blasting:(a)specimen S1-1;(b)specimen S2-1;(c)specimen S3-1 Directional crack A7 =10μs =20μus =40μs =60μs =70us =80us =100μs =180s 图6验证实验组试件S4-1爆破过程中裂纹起裂与扩展的动态焦散线系列照片 Fig.6 Dynamic caustics photos of the crack initiation and propagation in specimen S4-1 during blasting 理端部翼裂纹的产生是切缝药包爆破定向裂纹直 公式5-2，可得到裂纹起裂和扩展过程中动态应 接作用的结果.此外，定向裂纹的入射角度对节理 力强度因子随时间的变化曲线.上文分析表明，试 端部翼裂纹起裂时间、扩展过程和扩展长度都有 件S1-1、S2-1和S3-1的节理端部两条翼裂纹的 着重要影响. 扩展过程和分布形态基本对称，故每个试件只选 3.2翼裂纹的起裂和扩展 取1条翼裂纹开展对比分析.图7为翼裂纹B1(试 动态应力强度因子是表征裂纹尖端应力集中 件S1-1)、B3(试件S2-1)和B5(试件S3-1)起裂 程度的物理量，通过对裂纹尖端焦散线相关特征 前后动态应力强度因子随时间的变化曲线.3条 尺寸的测量，结合动态应力强度因子(K,)的计算 翼裂纹的起裂时间均为仁80s时，翼裂纹B3和

理端部翼裂纹的产生是切缝药包爆破定向裂纹直 接作用的结果. 此外，定向裂纹的入射角度对节理 端部翼裂纹起裂时间、扩展过程和扩展长度都有 着重要影响. 3.2    翼裂纹的起裂和扩展 动态应力强度因子是表征裂纹尖端应力集中 程度的物理量，通过对裂纹尖端焦散线相关特征 尺寸的测量，结合动态应力强度因子（KⅠ d ）的计算 公式[25−26] ，可得到裂纹起裂和扩展过程中动态应 力强度因子随时间的变化曲线. 上文分析表明，试 件 S1–1、S2–1 和 S3–1 的节理端部两条翼裂纹的 扩展过程和分布形态基本对称，故每个试件只选 取 1 条翼裂纹开展对比分析. 图 7 为翼裂纹 B1（试 件 S1–1）、B3（试件 S2–1）和 B5（试件 S3–1）起裂 前后动态应力强度因子随时间的变化曲线. 3 条 翼裂纹的起裂时间均为 t=80 μs 时，翼裂纹 B3 和 M N Directional crack A7 Caustics t=10 μs t=20 μs t=40 μs t=60 μs t=70 μs t=80 μs t=100 μs t=180 μs B7 B8 图 6    验证实验组试件 S4–1 爆破过程中裂纹起裂与扩展的动态焦散线系列照片 Fig.6    Dynamic caustics photos of the crack initiation and propagation in specimen S4–1 during blasting Directional crack A6 Caustics t=10 μs t=30 μs t=40 μs B5 B6 t=50 μs t=60 μs t=80 μs B5 B6 t=100 μs t=160 μs t=230 μs (c) 图 5    爆破过程中裂纹起裂与扩展的动态焦散线系列照片. （a）试件 S1-1；（b）试件 S2-1；（c）试件 S3-1 Fig.5    Dynamic caustics photos of the crack initiation and propagation during 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 · 899 ·

900 工程科学学报，第43卷，第7期 B5起裂前的动态应力强度因子随着时间的增加而 翼裂纹B8的起裂时间相对较早，为仁70s.翼裂 逐渐增加.结合上文对翼裂纹起裂和扩展过程的 纹B7起裂时的动态应力强度因子为0.43×10Nm32, 分析，在翼裂纹起裂前，爆炸应力波的作用是前期 与翼裂纹B1起裂时的动态应力强度因子基本相 动态应力强度因子增加的直接原因，而定向裂纹 同：而翼裂纹B8起裂时的动态应力强度因子达到 的作用导致了后期动态应力强度因子的增加.翼 了0.68×10Nmn,显著大于翼裂纹B1和翼裂纹 裂纹B1、B3和B5起裂时的动态应力强度因子分 B7的.定向裂纹的倾斜入射造成了节理两端受力 别为0.44×10、0.98×10和0.55×10Nm32.其中， 特征的差异性，定向裂纹优先作用于节理端部 翼裂纹B1起裂时的动态应力强度因子最小，翼裂 N处，导致能量优先集聚，翼裂纹B8优先起裂并 纹B3起裂时的动态应力强度因子最大.表明试 在扩展过程中携带更多的能量，起裂后，翼裂纹 件S1-1的节理端部最易起裂，而试件S2-1的节 B7的动态应力强度因子迅速衰减并率先止裂，翼 理端部最难起裂.可见，节理的几何特征影响了节 裂纹B8的动态应力强度因子虽然在扩展前期衰 理端部翼裂纹的起裂行为.具体地，直线型节理端 减较快，较大的携能仍能维持其较长时间的持续 部最易起裂，半圆型节理端部起裂时的动态应力 扩展.>180s时，翼裂纹B8的扩展超出高速相机 强度因子是直线型节理的1.25倍，而半椭圆型节 拍摄视场（图6），导致裂纹扩展后期的动态应力强 理端部最难起裂，其起裂时的动态应力强度因子 度因子数据缺失.通过对3条翼裂纹的扩展长度 是直线型节理的2.23倍.此外，翼裂纹起裂时的动 进行测量并对比，发现翼裂纹B8的扩展长度最 态应力强度因子为整个起裂和扩展过程中的最大 长，而翼裂纹B7的扩展长度最短 值.翼裂纹起裂后，由于定向裂纹与节理的相互作 0.7 用，动态应力强度因子虽有所衰减，但在翼裂纹的 -Wing crack B1 Wing crack B7 扩展前期仍能保持较大的数值，翼裂纹扩展过程 0.6 Wing crack B8 中的翼裂纹动态应力强度因子存在“平台期”.在 .0.5 翼裂纹扩展后期，定向裂纹与节理的相互作用逐 渐减弱，动态应力强度因子迅速衰减，直至翼裂纹 止裂 03 1.0 Before initiation After initiation 0.2 0.8 80 120 60 200 240 tlμs 0.6 图8试件S1-1和S4-1的翼裂纹扩展过程中动态应力强度因子随 时间变化曲线 0.4 Fig.8 Time curves of the dynamic intensity factor of the wing cracks in Wing crack BI specimens S1-1 and S4-1 0.2 Wing crack B3 Wing crack B5 Initiation(80 us) 4结论 50 100 150 200 250 Ius 切缝药包爆破能够产生两条沿切缝方向扩展 困7试件S1-1、S2-1和S3-1的翼裂纹起裂前后动态应力强度因 的定向裂纹.与闭合节理或充填节理不同的是，张 子随时间变化曲线 开节理对定向裂纹的扩展具有显著的阻滞作用 Fig.7 Time curves of the dynamic intensity factor of the wing cracks in 定向裂纹不会穿过张开节理继续扩展，而会在节 specimens S1-1,S2-1,and S3-1 理端部产生两条翼裂纹.张开节理的几何特征对 进一步地，对比分析定向裂纹垂直入射和倾 翼裂纹的扩展角度和扩展长度都有显著影响.分 斜入射两种情况下翼裂纹的起裂和扩展行为.图8 析表明，爆炸应力波作用下，张开节理端部能否产 为冀裂纹B1(试件S1-1)、B7(试件S4-1)和 生显著的应力集中现象也很大程度上取决于节理 B8(试件S4-1)起裂前后动态应力强度因子随时 几何特征和应力波入射角度.本实验条件下，爆炸 间的变化曲线.可以发现，试件S4-1的2条翼裂 应力波的作用都未能导致翼裂纹的起裂，切缝药 纹B7和B8的动态应力强度因子数值存在显著差 包爆破定向裂纹与节理的相互作用是翼裂纹起裂 异.翼裂纹B1和B7的起裂时间相同，均为=80S; 和扩展的直接动因.在定向裂纹垂直入射节理的

B5 起裂前的动态应力强度因子随着时间的增加而 逐渐增加. 结合上文对翼裂纹起裂和扩展过程的 分析，在翼裂纹起裂前，爆炸应力波的作用是前期 动态应力强度因子增加的直接原因，而定向裂纹 的作用导致了后期动态应力强度因子的增加. 翼 裂纹 B1、B3 和 B5 起裂时的动态应力强度因子分 别为 0.44×106、0.98×106 和 0.55×106 N·m−3/2 . 其中， 翼裂纹 B1 起裂时的动态应力强度因子最小，翼裂 纹 B3 起裂时的动态应力强度因子最大. 表明试 件 S1–1 的节理端部最易起裂，而试件 S2–1 的节 理端部最难起裂. 可见，节理的几何特征影响了节 理端部翼裂纹的起裂行为. 具体地，直线型节理端 部最易起裂，半圆型节理端部起裂时的动态应力 强度因子是直线型节理的 1.25 倍，而半椭圆型节 理端部最难起裂，其起裂时的动态应力强度因子 是直线型节理的 2.23 倍. 此外，翼裂纹起裂时的动 态应力强度因子为整个起裂和扩展过程中的最大 值. 翼裂纹起裂后，由于定向裂纹与节理的相互作 用，动态应力强度因子虽有所衰减，但在翼裂纹的 扩展前期仍能保持较大的数值，翼裂纹扩展过程 中的翼裂纹动态应力强度因子存在“平台期”. 在 翼裂纹扩展后期，定向裂纹与节理的相互作用逐 渐减弱，动态应力强度因子迅速衰减，直至翼裂纹 止裂. Before initiation Initiation (80 μs) After initiation 0 50 100 150 200 250 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Kd I /(10 6 N·m−3/2 ) t/μs Wing crack B1 Wing crack B3 Wing crack B5 图 7    试件 S1–1、S2–1 和 S3–1 的翼裂纹起裂前后动态应力强度因 子随时间变化曲线 Fig.7    Time curves of the dynamic intensity factor of the wing cracks in specimens S1–1, S2–1, and S3–1 进一步地，对比分析定向裂纹垂直入射和倾 斜入射两种情况下翼裂纹的起裂和扩展行为. 图 8 为 翼 裂 纹 B1（ 试 件 S1 –1） 、 B7（ 试 件 S4 –1） 和 B8（试件 S4–1）起裂前后动态应力强度因子随时 间的变化曲线. 可以发现，试件 S4–1 的 2 条翼裂 纹 B7 和 B8 的动态应力强度因子数值存在显著差 异. 翼裂纹 B1 和 B7 的起裂时间相同，均为 t=80 μs； 翼裂纹 B8 的起裂时间相对较早，为 t=70 μs. 翼裂 纹 B7 起裂时的动态应力强度因子为 0.43×106 N·m−3/2 ， 与翼裂纹 B1 起裂时的动态应力强度因子基本相 同；而翼裂纹 B8 起裂时的动态应力强度因子达到 了 0.68×106 N·m−3/2，显著大于翼裂纹 B1 和翼裂纹 B7 的. 定向裂纹的倾斜入射造成了节理两端受力 特征的差异性 ，定向裂纹优先作用于节理端部 N 处，导致能量优先集聚，翼裂纹 B8 优先起裂并 在扩展过程中携带更多的能量. 起裂后，翼裂纹 B7 的动态应力强度因子迅速衰减并率先止裂，翼 裂纹 B8 的动态应力强度因子虽然在扩展前期衰 减较快，较大的携能仍能维持其较长时间的持续 扩展. t>180 μs 时，翼裂纹 B8 的扩展超出高速相机 拍摄视场（图 6），导致裂纹扩展后期的动态应力强 度因子数据缺失. 通过对 3 条翼裂纹的扩展长度 进行测量并对比，发现翼裂纹 B8 的扩展长度最 长，而翼裂纹 B7 的扩展长度最短. 80 120 160 200 240 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Kd I /(MN·m−3/2 ) t/µs Wing crack B1 Wing crack B7 Wing crack B8 图 8    试件 S1–1 和 S4–1 的翼裂纹扩展过程中动态应力强度因子随 时间变化曲线 Fig.8    Time curves of the dynamic intensity factor of the wing cracks in specimens S1–1 and S4–1 4    结论 切缝药包爆破能够产生两条沿切缝方向扩展 的定向裂纹. 与闭合节理或充填节理不同的是，张 开节理对定向裂纹的扩展具有显著的阻滞作用. 定向裂纹不会穿过张开节理继续扩展，而会在节 理端部产生两条翼裂纹. 张开节理的几何特征对 翼裂纹的扩展角度和扩展长度都有显著影响. 分 析表明，爆炸应力波作用下，张开节理端部能否产 生显著的应力集中现象也很大程度上取决于节理 几何特征和应力波入射角度. 本实验条件下，爆炸 应力波的作用都未能导致翼裂纹的起裂，切缝药 包爆破定向裂纹与节理的相互作用是翼裂纹起裂 和扩展的直接动因. 在定向裂纹垂直入射节理的 · 900 · 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 901· 情况下，不同几何特征节理的翼裂纹在起裂时的 cartridge decoupling charge blasting.Int J Rock Mech Min Sci, 动态强度因子也存在显著差异，节理的儿何特征 2017,96:34 决定了翼裂纹起裂的难易程度. [9]Song JS,Wang Y B.Gao X T,et al.The mechanism of directional fracture controlled blasting and its application.J Min Sci Technol, 此外，定向裂纹与张开节理相互作用时的入 2016,1(1:16 射角度对节理端部翼裂纹的起裂和扩展行为有显 (宋俊生，王雁冰，高祥涛，等.定向断裂控制爆破机理及应用. 著影响.当定向裂纹垂直入射时，节理两端的受力 矿业科学学报，2016,1(1)：16) 状态基本相同.两条翼裂纹的起裂和扩展行为基 [10]Yang R S,Ding C X,Yang L Y,et al.Experimental study on the 本一致，两条翼裂纹的分布状态基本对称.当定向 effects of joints on the blasting induced cracks propagation.Vib 裂纹倾斜入射时，节理两端的受力状态存在差异， Shock,2017,36(10:26 靠近定向裂纹入射点的一端能够获得更多的起裂 (杨仁树，丁晨曦，杨立云，等.节理对爆生裂纹扩展影响的试验 能量，从而优先起裂和扩展，并形成更长的翼裂纹， 研究.振动与冲击，2017,36(10)：26) [11]Aliabadian Z,Sharafisafa M,Mortazavi A,et al.Wave and 参考文献 fracture propagation in continuum and faulted rock masses: distinct element modeling.Arab Geosci,2014,7(12):5021 [1]Guo D Y,Zhao J C,Zhu T G,et al.Crack propagation and [12]Deng X F,Zhu J B,Chen S G,et al.Numerical study on tunnel coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal damage subject to blast-induced shock wave in jointed rock seam.Chin J Eng,2020,42(12):1613 masses.Tunnelling Underground Space Technol,2014,43:88 (郭德勇，赵杰超，朱同功，等.双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通 [13]Zhao A P,Feng C,Guo R K,et al.Effect of joints on blasting and 机理.工程科学学报，2020,42(12)：1613) stress wave propagation.Chin J Rock Mech Eng,2018,37(9): [2]Xu P,Chen C,Guo Y,et al.Experimental study on crack 2027 propagation of slit charge blasting in media with vertical bedding (赵安平，冯春，郭汝坤，等.节理特性对应力波传播及爆肢效果 plane.J Min Sci Technol,2019,4(6):498 的影响规律研究.岩石力学与工程学报，2018,37(9)：2027) (许鹏，陈程，郭祥，等.含垂直层理介质在切缝药包爆破下裂纹 [14]Xie B,Li H B,Wang C B,et al.Numerical simulation of presplit 扩展行为的试验研究.矿业科学学报，2019,4(6)：498) blasting influenced by geometrical characteristics of joints.Rock [3]Yang R S,Zhang Z R.Yang L Y,et al.Cumulative blasting Soil Mech,2011,32(12:3812 experiment study of slotted cartridge based on hard-rock rapid (谢冰，李海波，王长柏，等.节理几何特征对预裂爆破效果影响 driving technology.Chin J Rock Mech Eng,2013,32(2):317 的数值模拟.岩土力学，2011,32(12)：3812) (杨仁树，张召冉，杨立云，等.基于硬岩快掘技术的切缝药包聚 [15]Yang R S,Ding C X,Yang L Y,et al.Model experiment on 能爆破试验研究.岩石力学与工程学报，2013,32(2)：317) dynamic behavior of jointed rock mass under blasting at high- [4]Yang R S,Yang G L.Gao X T.Theory and Practice of stress conditions.Tunnelling Underground Space Technol,2018. Directional Fracture Controlled Blasting.Beijing:Science Press, 74:145 2017 [16]Hu R,Zhu Z M,Zhang X Y,et al.Effect of joint orientation on (杨仁树，杨国梁，高样涛.定向断裂控制爆破理论与实践.北 rock blasting.J Sichuan Univ Eng Sci,2012,44(S2):41 京：科学出版社，2017) (胡荣，朱哲明，张晓燕，等.节理方位对岩石爆破的影响规律 [5]Cheng B,Wang H B.Zong Q.Numerical simulation on blasting 四川大学学报：工程科学版，2012,44增刊241) mechanism of slotted cartridge based on coupled SPH-FEM [17]Qu S J,Liu J F.Numerical analysis of joint angle effect on algorithm.ChinJEnergy Mater,2020,28(4):300 cracking with presplit blasting.Rock Soil Mech,2015,36(1):189 (程兵，汪海波，宗琦.基于SPH-FEM耦合法切缝药包爆破机理 (璩世杰，刘际飞.节理角度对预裂爆破成缝效果的影响研究 数值模拟.含能材料，2020,28(4)：300) 岩土力学，2015,36(1)：189) [6]Yue Z W,Yang L Y,Wang Y B.Experimental study of crack [18]Yang R S,Ding C X,Li YL,et al.Crack propagation behavior in propagation in polymethyl methacrylate material with double holes slit charge blasting under high static stress conditions.IntJRock under the directional controlled blasting.Fatigue Fract Eng Mater Mech Min Sci,2019,119:117 Struct,2013,36(8):827 [19]Li M,Zhu Z M,Liu R F,et al.Study of the effect of empty holes [7]Xiao Z X,Lu M,Lu Y S,et al.Dynamic photoelasticity on propagating cracks under blasting loads.IntJ Rock Mech Min experimental study on influence of slit's width on slit chrage's Sci,2018,103:186 blast effect.J PLA Univ Sci Technol Nat Sci,2006,7(4):371 [20]Li Q.Xu WL,Guo Y,et al.Propagation law of blasting crack at (肖正学，陆忞，陆渝生，等.切缝宽度对药包爆炸效应影响的 end of cylinder blasthole under uniaxial static pressure.J Vib 动光弹试验.解放军理工大学学报：自然科学版，2006,7(4)： Sh0ck,2020,39(13):91 371) (李清，徐文龙，郭洋，等.单向静压下柱状炮孔端部爆生裂纹的 [8]Wang Y B.Study of the dynamic fracture effect using slotted 扩展规律.振动与冲击，2020,39(13)：91)

情况下，不同几何特征节理的翼裂纹在起裂时的 动态强度因子也存在显著差异，节理的几何特征 决定了翼裂纹起裂的难易程度. 此外，定向裂纹与张开节理相互作用时的入 射角度对节理端部翼裂纹的起裂和扩展行为有显 著影响. 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. 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. 参    考    文    献 Guo  D  Y,  Zhao  J  C,  Zhu  T  G,  et  al.  Crack  propagation  and coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seam. Chin J Eng, 2020, 42（12）: 1613 （郭德勇, 赵杰超, 朱同功, 等. 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通 机理. 工程科学学报, 2020, 42（12）：1613） [1] Xu  P,  Chen  C,  Guo  Y,  et  al.  Experimental  study  on  crack propagation of slit charge blasting in media with vertical bedding plane. J Min Sci Technol, 2019, 4（6）: 498 （许鹏, 陈程, 郭洋, 等. 含垂直层理介质在切缝药包爆破下裂纹 扩展行为的试验研究. 矿业科学学报, 2019, 4（6）：498） [2] Yang  R  S,  Zhang  Z  R,  Yang  L  Y,  et  al.  Cumulative  blasting experiment  study  of  slotted  cartridge  based  on  hard-rock  rapid driving technology. Chin J Rock Mech Eng, 2013, 32（2）: 317 （杨仁树, 张召冉, 杨立云, 等. 基于硬岩快掘技术的切缝药包聚 能爆破试验研究. 岩石力学与工程学报, 2013, 32（2）：317） [3] Yang  R  S,  Yang  G  L,  Gao  X  T. Theory and Practice of Directional Fracture Controlled Blasting. Beijing: Science Press, 2017 （ 杨仁树, 杨国梁, 高祥涛. 定向断裂控制爆破理论与实践. 北 京: 科学出版社, 2017） [4] Cheng B, Wang H B, Zong Q. Numerical simulation on blasting mechanism  of  slotted  cartridge  based  on  coupled  SPH-FEM algorithm. Chin J Energy Mater, 2020, 28（4）: 300 （程兵, 汪海波, 宗琦. 基于SPH-FEM耦合法切缝药包爆破机理 数值模拟. 含能材料, 2020, 28（4）：300） [5] Yue  Z  W,  Yang  L  Y,  Wang  Y  B.  Experimental  study  of  crack propagation in polymethyl methacrylate material with double holes under the directional controlled blasting. Fatigue Fract Eng Mater Struct, 2013, 36（8）: 827 [6] Xiao  Z  X,  Lu  M,  Lu  Y  S,  et  al.  Dynamic  photoelasticity experimental  study  on  influence  of  slit ’s  width  on  slit  chrage ’s blast effect. J PLA Univ Sci Technol Nat Sci, 2006, 7（4）: 371 （肖正学, 陆忞, 陆渝生, 等. 切缝宽度对药包爆炸效应影响的 动光弹试验. 解放军理工大学学报: 自然科学版, 2006, 7（4）： 371） [7] [8] Wang  Y  B.  Study  of  the  dynamic  fracture  effect  using  slotted cartridge  decoupling  charge  blasting. Int J Rock Mech Min Sci, 2017, 96: 34 Song J S, Wang Y B, Gao X T, et al. The mechanism of directional fracture controlled blasting and its application. J Min Sci Technol, 2016, 1（1）: 16 （宋俊生, 王雁冰, 高祥涛, 等. 定向断裂控制爆破机理及应用. 矿业科学学报, 2016, 1（1）：16） [9] Yang R S, Ding C X, Yang L Y, et al. Experimental study on the effects of joints on the blasting induced cracks propagation. J Vib Shock, 2017, 36（10）: 26 （杨仁树, 丁晨曦, 杨立云, 等. 节理对爆生裂纹扩展影响的试验 研究. 振动与冲击, 2017, 36（10）：26） [10] Aliabadian  Z,  Sharafisafa  M,  Mortazavi  A,  et  al.  Wave  and fracture  propagation  in  continuum  and  faulted  rock  masses: distinct element modeling. Arab J Geosci, 2014, 7（12）: 5021 [11] Deng X F, Zhu J B, Chen S G, et al. Numerical study on tunnel damage  subject  to  blast-induced  shock  wave  in  jointed  rock masses. Tunnelling Underground Space Technol, 2014, 43: 88 [12] Zhao A P, Feng C, Guo R K, et al. Effect of joints on blasting and stress  wave  propagation. Chin J Rock Mech Eng,  2018,  37（9）: 2027 （赵安平, 冯春, 郭汝坤, 等. 节理特性对应力波传播及爆破效果 的影响规律研究. 岩石力学与工程学报, 2018, 37（9）：2027） [13] Xie B, Li H B, Wang C B, et al. Numerical simulation of presplit blasting  influenced  by  geometrical  characteristics  of  joints. Rock Soil Mech, 2011, 32（12）: 3812 （谢冰, 李海波, 王长柏, 等. 节理几何特征对预裂爆破效果影响 的数值模拟. 岩土力学, 2011, 32（12）：3812） [14] Yang  R  S,  Ding  C  X,  Yang  L  Y,  et  al.  Model  experiment  on dynamic  behavior  of  jointed  rock  mass  under  blasting  at  high￾stress  conditions. Tunnelling Underground Space Technol,  2018, 74: 145 [15] Hu R, Zhu Z M, Zhang X Y, et al. Effect of joint orientation on rock blasting. J Sichuan Univ Eng Sci, 2012, 44(S2): 41 （ 胡荣, 朱哲明, 张晓燕, 等. 节理方位对岩石爆破的影响规律. 四川大学学报: 工程科学版, 2012, 44(增刊2): 41） [16] Qu  S  J,  Liu  J  F.  Numerical  analysis  of  joint  angle  effect  on cracking with presplit blasting. Rock Soil Mech, 2015, 36（1）: 189 （璩世杰, 刘际飞. 节理角度对预裂爆破成缝效果的影响研究. 岩土力学, 2015, 36（1）：189） [17] Yang R S, Ding C X, Li Y L, et al. Crack propagation behavior in slit charge blasting under high static stress conditions. Int J Rock Mech Min Sci, 2019, 119: 117 [18] Li M, Zhu Z M, Liu R F, et al. Study of the effect of empty holes on propagating cracks under blasting loads. Int J Rock Mech Min Sci, 2018, 103: 186 [19] Li Q, Xu W L, Guo Y, et al. Propagation law of blasting crack at end  of  cylinder  blasthole  under  uniaxial  static  pressure. J Vib Shock, 2020, 39（13）: 91 （李清, 徐文龙, 郭洋, 等. 单向静压下柱状炮孔端部爆生裂纹的 扩展规律. 振动与冲击, 2020, 39（13）：91） [20] 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 · 901 ·

·902 工程科学学报，第43卷，第7期 [21]Ding C X,Yang R S,Lei Z,et al.Fractal damage and crack [24]Qiu P,Yue Z W,Yang R S,et al.Modified mixed-mode caustics propagation in decoupled charge blasting.Soil Dyn Earthquake interpretation to study a running crack subjected to obliquely Eng,2021,141:106503 incident blast stress waves.IntJ /mpact Eng,2021,150:103821 [22]Yang L Y,Zhang Y J,Sun J C,et al.The effect of offset distance [25]Ding C X,Yang R S,Xiao C L,et al.Influence of the notch on dynamic fracture behavior of PMMA with double cracks.J Min curvature on the impact fracture of the three-point bending beam. Sci Techmnol,2017,2(4):330 Eng Fract Mech,2021,241:107419 (杨立云，张勇进，孙金超，等.偏置裂纹对含双裂纹PMMA试件 [26]Yue Z W,Han R J,Hao W F,et al.Experimental study on caustics 动态断裂影响效应研究.矿业科学学报，2017,2(4)：330) of interraction between matrix crack and difformity inclusion.Eng [23]Yang R S.Ding CX,Yang L Y,et al.Behavior and law of crack Mech,2015,32(10):198 propagation in the dynamic-static superimposed stress field.Tesr (岳中文，韩瑞杰，郝文峰，等.基体裂纹-异型夹杂相互作用焦 Eal,2018,46(6):2540 散线实验研究.工程力学，2015,32(10)：198)

Ding  C  X,  Yang  R  S,  Lei  Z,  et  al.  Fractal  damage  and  crack propagation  in  decoupled  charge  blasting. Soil Dyn Earthquake Eng, 2021, 141: 106503 [21] Yang L Y, Zhang Y J, Sun J C, et al. The effect of offset distance on dynamic fracture behavior of PMMA with double cracks. J Min Sci Technol, 2017, 2（4）: 330 （杨立云, 张勇进, 孙金超, 等. 偏置裂纹对含双裂纹PMMA试件 动态断裂影响效应研究. 矿业科学学报, 2017, 2（4）：330） [22] Yang R S, Ding C X, Yang L Y, et al. Behavior and law of crack propagation in the dynamic-static superimposed stress field. J Test Eval, 2018, 46（6）: 2540 [23] Qiu P, Yue Z W, Yang R S, et al. Modified mixed-mode caustics interpretation  to  study  a  running  crack  subjected  to  obliquely incident blast stress waves. Int J Impact Eng, 2021, 150: 103821 [24] Ding  C  X,  Yang  R  S,  Xiao  C  L,  et  al.  Influence  of  the  notch curvature on the impact fracture of the three-point bending beam. Eng Fract Mech, 2021, 241: 107419 [25] Yue Z W, Han R J, Hao W F, et al. Experimental study on caustics of interraction between matrix crack and difformity inclusion. Eng Mech, 2015, 32（10）: 198 （岳中文, 韩瑞杰, 郝文峰, 等. 基体裂纹−异型夹杂相互作用焦 散线实验研究. 工程力学, 2015, 32（10）：198） [26] · 902 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期