切槽深度对裂纹扩展的影响及建议取值

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：从图14-21、表14-10 中可看到，当切槽深度圈套时，裂纹扩展的长度圈套，但增加不明显，而裂纹扩展的速度却是当切槽深度较小时反而大。另外，如果切槽过深则钻孔难度加大。但切槽深度过小时，切槽尖端的应力集中效应不明显，爆生裂纹沿切槽方向并不能表现出优先发展趋势。初步实验研究表明，理想的切槽深度为炮孔半径的1/4～1/2[84]。在工程上建议切槽深度取l=R。

1. 根据孔径确定切槽深度

对于不同特性的岩石和炸药，应选取不同的切槽深度，根据Jams、W.Dally、W.L Founery等人的研究，对于大多数岩石来说，当炮孔内的压力超过69 MPa 时，炮孔周围将产生杂乱的裂隙，断裂面也将难以控制[83,84]。理论分析表明，相对切槽深度 l /R﹤0.2时， l /R 的值对临界炮孔压力的影响最敏感，当 l /R﹥0.2时，其影响逐渐减少；当 l /R﹥0.5时，其影响可忽略不计。随着 l /R 值的增大，炮孔临界起裂荷载减少，但 l /R 过大，降低效应不很显著，在工程实践中， l /R 过大将导致岩石对切刃的夹持作用增大，机械切槽效率降低，刃具磨损加大，因此，文献[83][84]建议l=(0.2~0.3)R，宋俊生[83]等也认为切槽深度不宜过大。

2. 根据实验确定切槽深度

文献[61]对切槽爆破参数切槽深度采用动焦散线的方法进行了全面实验，模型材料为有机玻璃，尺寸为300 mm×220 mm×6 mm，孔径为8 mm，切槽角为60°，切槽深度分别为3.4 mm（左侧）、1.3 mm（右侧），装药量为112 mg。图14-21 为1 组实验中2 幅动动焦散线照片，其中箭头指示的为焦散斑。表14-10 为不同切槽深度下裂纹扩展情况对比， lc为裂缝长[83]。

从图14-21、表14-10 中可看到，当切槽深度圈套时，裂纹扩展的长度圈套，但增加不明显，而裂纹扩展的速度却是当切槽深度较小时反而大。另外，如果切槽过深则钻孔难度加大。快速加载切槽深度裂纹尖端的应变能随着裂缝长度增加和爆生气体压力下降，裂缝扩展的驱动力减小，爆炸应力波在切槽尖端处产生较强的动态拉应力集中，爆炸应力波峰值强度随传播距离衰减。因此，炮孔切槽深度较小时，起裂时拉应力集中大，裂纹尖端积聚的应变能较高，切槽深度小的裂纹尖端动态应力强度因子相比切槽深度较大的高，切槽深度较小的裂纹扩展速度大。但切槽深度过小时，切槽尖端的应力集中效应不明显，爆生裂纹沿切槽方向并不能表现出优先发展趋势。初步实验研究表明，理想的切槽深度为炮孔半径的1/4～1/2[84]。

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图14-21　不同切槽深度下动焦散线照片（李清等）

表14-10　不同切槽深度下的裂纹扩展[64]

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3. 理论分析

理论分析表明[85]：相对切槽深度 l /R﹤0.2时， l /R 值对临界炮孔压的影响最为敏感，当l /R﹥0.2时其影响逐渐减小；当 l /R﹥0.5时其影响可以略去不计。文献[16]认为虽然切槽深l越大，爆破效果越好，但随着l 的加大，切刃的夹制作用增大，切槽效率降低，刀具磨耗加大，故建立根据孔径大小按式：l=(0.10~0.30)R 选取。

4. 工程实践

在工程实践中 l /R 过大将导致岩石对切刃的夹持作用增大，机械切槽效率低，刃具磨损加大。对于R=20 mm 的炮孔，l=(0.2~0.3)R 为宜。

5. 根据应力强度因子[91]

由应力强度因子的计算公式可知，当炮孔内压力 P0不变时，切槽深度的增加， KI也随之增加。由断裂准则KI≥KId来分析，当l 增大时，裂纹会在孔内准静态压力的膨胀过程中提前启裂，因而在相同的有效压力时间内，裂纹能扩展更长的距离。表14-11 为在有机玻璃板上作的不同l 值的爆破实验效果对照。