[发明专利]一种爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法

说明书

本发明公开了一种爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法，利用雷管和带裂纹的水泥砂浆试样进行了爆破试验研究，采用实验‑数值方法确定试样的动态断裂韧度，通过试验得到的应变信号来确定试样承受的荷载及裂纹起裂的时间，将得到的时程曲线输入有限元程序Ansys，利用1/4节点单元计算裂尖的近场位移，进而使用位移外推法求得试样I型动态断裂应力强度因子的时程曲线，裂纹起裂时刻对应的应力强度因子值即为材料的动态断裂韧度，从而给出了在爆炸载荷下I型裂纹的动态断裂韧度测试新方法。本发明的方法简单，操作方便，对研究在爆炸动载荷下岩石的动态断裂特性应更有现实应用意义。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法。

背景技术

爆破是岩土工程中广泛采用的掘进方法，所以岩石在爆炸载荷下的断裂特性是岩石动力学的核心问题之一。

在岩石工程中，爆破一直是被广泛采用的开挖、开采及掘进的主要破岩手段之一。所以岩石在爆炸动载荷下的断裂特性及断裂韧度是人们所关注的岩石动力学的核心问题之一，其研究具有现实的应用意义。

对于金属材料的静态断裂韧性(KIC，JIC)的测试方法也已经比较成熟，常用的测试方法有压痕法(IM)，三点弯曲实验(SE)，紧凑拉伸实验(CT)，并且有了国家标准。对于岩石、混凝土等材料，许多学者进行了有益的尝试，也取得了很多有价值的成果。随着断裂力学的发展，人们逐渐认识到，在考虑材料的强度时需要考虑材料的动态断裂参数。由于动态问题需要考虑材料的惯性，求解断裂动力学问题极其困难，迄今尚无成熟的解决方法，目前得到的有意义的理论解不多。有许多学者使用数值方法进行分析，在快速发展的计算机技术的辅助下解决了许多困难问题，发展和建立了很多有效的断裂准则。

与此同时，实验工作也在积极开展，发展了一些新的实验方法，例如光学方法即焦散法等等。测定材料的动态断裂韧性是这些实验的一个重要目的。目前，应用最广泛的测试方法是Charpy冲击试验，使用的试验设备是摆锤和落重式试验机，美国的材料与试验协会(ASTM)和欧洲的结构完整性协会(ESIS)都提出了推荐标准。这种方法简单易行，花费少，适用于工程应用。主要缺点是加载速率不能太高，不能达到爆炸载荷的加载速率，同时试样难满足平面应变条件，确定载荷时易引起较大误差且采用准静态理论来计算材料的动态断裂韧性，有时不能准确反映材料的真实行为。为了克服Charpy冲击试验的缺点，人们又发展了Hopkinson压杆加载技术。该加载技术是一种广泛应用于高应变率下，材料动态本构关系及动态性能参数测定的装置。目前，应用三点弯曲测试材料动态断裂韧性的工作进行较多，资料也比较丰富，而利用紧凑拉伸试验进行测试的工作较少。

虽然利用霍普金斯压杆冲击实验来测试岩石的动态断裂韧度方法已取得了一些进展，但是其冲击动载荷与爆炸动载荷是有一定的区别。所以研究在爆炸动载荷下岩石的动态断裂特性应更有现实意义。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法，旨在解决现有的技术，Charpy冲击试验和Hopkinson压杆冲击巴西圆盘试验，缺少研究在爆炸动载荷下岩石的动态断裂特性方法的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法，该爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法利用带裂纹及炮孔的矩形板试样，通过炮孔放置雷管，并使其爆炸产生压力，实现了对试样的冲击加载，将测得的应变信号转换为压力值，代入有限元程序，使用位移外推法计算试样的动态应力强度因子，再根据裂纹起裂时刻确定动态断裂韧度。

进一步，该爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法包括以下步骤：