[发明专利]一种I型裂纹在爆炸荷载下动态断裂全过程参数的测试方法

说明书

本发明“一种I型裂纹在爆炸荷载下动态断裂全过程参数的测试方法”公开了一种在爆炸荷载下I型裂纹的动态起裂韧度、动态扩展韧度以及动态止裂韧度的测试方法，属于岩土工程技术领域，自主设计了大尺寸内部单裂纹圆盘试件构型，测试结果不受反射拉伸波与透射波的影响，适用于研究爆炸全过程的裂纹扩展速度、扩展行为。爆炸加载采用8^#雷管，数值计算采用有限元差分软件AUTODYN，结果与试验基本一致。将荷载应力时程曲线输入到有限元程序ABAQUS，求得动态应力强度因子的时程曲线，通过裂纹的断裂时刻确定材料的动态断裂韧度。本发明的试件构型简单，易于加工，且试验过程简洁明了，操作方便，适于裂纹动态扩展行为研究及动态断裂韧度的测试。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及具有高加载率的爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度的测试方法研究。

背景技术

在众多岩体工程中，如矿井下的岩巷施工，山体隧道的开挖，地铁及防空工事的构建等，爆破一直是主要的破岩手段之一，主要原因是爆破方法具有简单、经济及高效等优点。然而我们对爆破过程的理解还不够深刻，这是因为炸药和岩石都是比较复杂的材料，爆破的效果同时取决于炸药的爆轰特征和周边岩体的动力学响应特征，其作用效果由一些爆轰参数所决定，如爆压、爆温、作用时间及传递给周边岩体的能量等。岩体对这种随着时间变化的高振幅应力波的动力学反应更加复杂，这首先是因为大部分与应变率相关的岩石动力学特性研究还不完善，其次是岩体内部存在大量节理裂隙，这些裂隙在爆炸荷载下的扩展规律我们还不是很了解。

目前岩石断裂韧度测试方法研究主要采用Hopkinson压杆冲击荷载，并发展了一些新的实验试件及新的实验方法，来测试岩石的各种强度参数，包括岩石的起裂韧度及起裂角等。此外，早期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Charpy冲击试验方法，使用的试验设备是摆锤和落锤式试验机，这种方法简单易行，花费少，但其加载速率偏低，达不到爆炸荷载的加载速率，且采用准静态理论来计算材料的动态断裂韧度，有时不能准确反映材料的真实行为。对于摆锤加载方式及Hopkinson压杆加载方式来说，Hopkinson压杆加载方式可以克服摆锤加载方式的诸多缺点，是一种较为理想的加载方式，但不足的是使用SHPB设备，其试件的尺寸受到冲击杆的限制而太小，裂纹的扩展行为要受到反射拉伸波和透射波的影响，不适于研究裂纹的扩展行为。

岩石的动态断裂与加载率有关，冲击实验发现，当加载率小于18.85×10⁴ MPa·m^1/2·s^-1，岩石的断裂韧度随着加载速率的增加有明显的上升。与冲击荷载相比，爆炸荷载峰值更大、加载速率更快，学者通过对岩石I型裂纹分别进行了准静态、落锤、轻气炮和爆炸4种不同加载速率的断裂实验，结果发现爆炸加载速率远远大于冲击荷载，起裂时间更短，因此，研究爆炸荷载下的岩石断裂破坏问题不能采用SHPB冲击荷载来代替，其断裂韧度也不能用冲击荷载下测试结果来代替。

本方法将在此基础上进一步深入研究在爆炸荷载下断裂韧度的测试技术，包括起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度的测试技术，这在国内外基本上还是空白。在爆炸荷载下的动态断裂韧度包括起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度，它们是裂纹在整个扩展过程中的重要断裂参数，是目前岩石动力学研究亟需解决的重要课题之一，同时也是非常重要的基础性研究，因为这一测试技术可以应用于大部分脆性材料，因此它不仅涉及到地下各种工程结构稳定及各种地质灾害问题，也对与材料动态破坏相关的材料工程、冲击工程及常规兵器等众多领域都具有重要的现实意义。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种在爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度的测试方法，且提出新构型适用于研究加载全过程的裂纹扩展速度、扩展行为，测试结果不受反射拉伸波与透射波的影响，本发明例提出的方法简易可行，可计算出动态裂纹断裂全过程的断裂韧度。