【摘 要】
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岩石动力学包含冲击和爆炸动荷载下的岩石力学响应和断裂机理,亦涉及岩石中裂纹的扩展行为和应力波波动特性,准确测定岩石动态扩展裂纹断裂力学参量对于岩石定向断裂、爆破破岩优化和围岩稳定性研究意义重大。本文基于理论分析和实验室试验,采用应变片法对冲击和爆炸动荷载下的Ⅰ型裂纹动态断裂力学参量进行计算和分析,部分试验辅以动焦散线法对比验证。研究的主要内容和成果如下:（1）提出了应变片法应用于岩石类材料Ⅰ型裂纹
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岩石动力学包含冲击和爆炸动荷载下的岩石力学响应和断裂机理,亦涉及岩石中裂纹的扩展行为和应力波波动特性,准确测定岩石动态扩展裂纹断裂力学参量对于岩石定向断裂、爆破破岩优化和围岩稳定性研究意义重大。本文基于理论分析和实验室试验,采用应变片法对冲击和爆炸动荷载下的Ⅰ型裂纹动态断裂力学参量进行计算和分析,部分试验辅以动焦散线法对比验证。研究的主要内容和成果如下:（1）提出了应变片法应用于岩石类材料Ⅰ型裂纹动态断裂力学参量的测试。基于线弹性断裂力学理论,采用Westergaard复变函数方法表征Ⅰ型动态扩展裂纹尖端附近应变场,明确了应变片与裂纹扩展方向之间朝向角为特定锐角和钝角两种布置方式条件下,动态裂纹尖端附近的归一化应变采用与裂纹扩展速度、应变片黏贴位置等相关的二项式来表示,给出了基于裂纹尖端应变特征时间的二项式的相关系数确定过程和动态应力强度因子计算式。分析了二项式非奇异项系数、应变片粘贴距离、应变片粘贴角度、裂纹扩展速度和泊松比对理论计算的归一化应变与时间关系曲线影响,为提高Ⅰ型裂纹扩展速度和动态应力强度因子试验计算精度奠定理论基础。（2）结合冲击荷载作用下三点弯曲梁应变片法的适应性试验,获得了不同试验条件下试件裂纹动态断裂参量的变化特征。采用锐角、钝角应变片法测定的裂纹运动速度以及锐角应变片法确定的动态应力强度因子,与同步进行的动焦散线试验结果相近;与动焦散线法相比,钝角应变片法确定的裂纹动态应力强度因子在试件中部相差较小,其余位置相差较大,给出了钝角应变片法的动态应力强度因子修正系数;应变片粘贴于裂纹尖端附近0.6倍试件厚度deff距离内,测定的裂纹尖端动态应力强度因子值与动焦散线试验结果吻合较好。试件厚度增大的条件下,应变片与扩展裂纹距离越大,动态应力强度因子准确度降低,裂纹扩展速度计算结果不受试件厚度影响。（3）首次运用应变片法揭示了冲击荷载下非透明岩石材料Ⅰ型裂纹动态扩展速度和应力强度因子的变化规律。结合数字高速摄像技术和应变片法,发现岩石断裂表现为白斑微裂纹损伤扩展的裂纹尖端应变能瞬时释放过程;利用裂纹断口扫描电镜图像,观察到沿直线扩展的裂纹断面平整、光滑,张拉应力占优,获得了岩石Ⅰ型裂纹扩展断裂特征。测定了岩石试样裂纹尖端附近应变大小为364～536με,显著低于有机玻璃裂纹尖端的应变（3870～5312με）;裂纹扩展速度为475～687 m/s,动态应力强度因子为4.26～6.12 MN/m3/2,大于有机玻璃的动态断裂参量。（4）分析了切缝爆炸荷载作用的两个阶段。第一阶段,在爆轰波作用下,孔壁出现大量微裂纹,切缝装药定向聚能效应汇聚的爆炸能量使切缝方向微裂纹进一步萌生。第二阶段,在爆生气体“气楔效应”作用下,爆生裂纹持续高速扩展,在速度曲线上表现为稳定的速度平台,期间,在反射应力波作用下,裂纹扩展速度小幅震荡,之后继续原速度扩展。测得爆炸膨胀波作用下岩石应变远小于有机玻璃。揭示了切缝爆炸荷载作用下Ⅰ型裂纹的动态扩展速度和应力强度因子的变化规律。结合应变片法和数字动焦散线试验,得到了有机玻璃爆炸主裂纹的峰值扩展速度为457 m/s、极限动态应力强度因子为2.11 MN/m3/2,花岗岩爆炸主裂纹峰值扩展速度达到922 m/s、极限动态应力强度因子为6.94 MN/m3/2,明确了花岗岩爆炸断裂物理过程。（5）揭示了切缝爆炸荷载下预制裂缝尖端Ⅰ型分支裂纹扩展断裂力学参量变化规律。采用应变片法和动焦散线法同步开展试验,分析裂纹扩展速度和动态应力强度因子变化规律,结果对比、相互验证。爆炸应力波作用下,特定朝向角的应变片测得应变为负,表明膨胀波作用下测点处呈现压应变,随着测点距离增大,应变峰值衰减。爆生主裂纹与缺陷贯通后,自缺陷尖端萌生Ⅰ型分支裂纹。应变片法和动焦散线法测得的Ⅰ型分支裂纹断裂力学参量相一致。就单个炮孔爆生主裂纹及分支裂纹平均长度和而言,单孔单水平预制缺陷试件>双孔单竖预制裂缝试件>双孔双竖预制裂缝试件。
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