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 14.33    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 ·