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·m1/2·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。
技术实现要素：
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。
本发明实施例实现过程如下，本测试方法采用的模型为大尺寸内部单裂纹圆盘试样，通过放置在炮孔处的8#雷管对试样进行爆炸加载，圆盘试件中存在的预制裂纹与炮孔是贯通，爆生气体对于裂纹尖端的起裂与扩展行为基本没有影响。炸药爆炸之后应力波从炮孔处传播至裂纹尖端，裂纹起裂、扩展，通过裂纹扩展路径上的裂纹扩展计记录下裂纹的扩展过程，炮孔附近粘贴的应变片记录应力波的加载波形。通过CS-1D超动态应变仪和DS1104示波器搭接的数据采集系统，把测得的应变片电信号转换为压力值，带入有限元程序，基于位移外推法，计算出动态扩展过程中裂纹尖端的动态应力强度因子，绘得动态应力强度因子时程曲线，并根据裂纹扩展计测得的电压台阶信号得到动态扩展中的裂纹扩展时刻，从而确定裂纹扩展过程中的起裂韧度、扩展韧度以及止裂韧度等动态断裂韧度参数。
简言之，该爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度测试方法包括以下步骤：
第一步，采用专门为实验设计的大尺寸内部单裂纹圆盘试样，材质为砂岩；试样尺寸为：a = 100 mm，r = 3.5 mm，R = 250 mm，试件厚度B = 20 mm，应变片与炮孔距离h1 = h2= 30 mm，弹性模量12.5GPa，泊松比0.26；密度ρ = 2.350 g/cm3，抗拉强度σt = 30MPa。
第二步，爆炸测试采用8#雷管进行爆破，雷管放置在炮孔中心，并使用CS-1D超动态电阻应变仪和DS1104示波器进行数据采集，超动态应变仪的采样频率为10 MHz，即1 μs可以采集到10个数据点，裂纹的断裂时刻通过试件裂纹尖端处粘贴裂纹扩展计 (crack propagation gauge，简称CPG) 记录的第一个断裂信号来确定。当裂纹尖端起裂时，CPG的第1根敏感栅被拉断，造成其电阻增大，致使CPG两端电压骤然增大产生台阶电压信号，表明裂纹开始起裂、扩展，随着裂纹的继续扩展，CPG剩余的敏感栅逐一被拉断，电阻逐渐增大，造成其两端电压信号逐渐增大，产生一次次的台阶电压信号。这样，动态裂纹每扩展一次，其扩展时刻就被记录下来。
由上文所述可知，通过数据采集系统，采集到的裂纹扩展计电压信号是阶梯状变化的曲线，每一个台阶的出现代表着某根敏感栅的断裂，将电压信号对时间求导，其导数的极值时刻即为裂纹扩展至此根敏感栅的时刻，第一个导数极值对应的时刻为裂纹起裂时刻，记为ti，之后的导数极值对应的时刻为裂纹扩展时刻，记为tp，最后一个导数极值对应的时刻为裂纹止裂时刻，记为ta；通过有限元数值计算软件，建立1:1的数值模型，将实验得到的实际材料参数与压力时程荷载曲线带入数值软件，得到应力强度因子时程曲线，通过断裂时刻ti、tp以及ta可确定动态裂纹的动态起裂韧度、扩展韧度以及止裂韧度等动态断裂参数。
本发明提出的测试采用实验-数值法，首先，通过数据采集系统得到的应变信号来确定试样承受的爆炸应力波荷载，预制裂纹尖端粘贴的裂纹扩展计确定动态裂纹的扩展时刻，利用有限元程序ABAQUS建立1:1数值计算模型，并将得到的荷载曲线输入软件，其中试件尺寸、材料参数及本构关系等与试验一致。对于试件裂纹尖端动态应力强度因子的计算，采用ABAQUS隐式的动态分析数值方法模块进行求解，裂纹尖端采用6节点三角形单元CPS6，而其他区域则采用8节点四边形单元CPS8，加载时间步长设置为0.5 μs，由于CPG监测的裂纹完全扩展大约需要137 μs，因此共设置400个荷载步，共200 μs。将裂纹视为理想尖锐裂纹，对裂纹尖端网格的划分进一步细化，防止裂纹尖端应力场的奇异性对动态应力强度因子计算精度产生误差。记录裂纹面质点位移，利用位移外推法，可确定试件I型裂纹的动态应力强度因子，裂纹起裂时刻、扩展时刻以及止裂时刻对应的动态应力强度因子值，即为材料的动态起裂韧度、动态扩展韧度以及动态止裂韧度。上述即为在爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度测试新方法。本发明中的试件易于加工，且实验过程简单明了，试验步骤易于操作，在研究岩石在爆炸荷载下的动力响应及断裂特性上具有很强的优势。
附图说明
图1是本发明实施例提供的在爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度测试方法流程图；
图2是本发明实施例提供的带预制裂纹的试件——大尺寸内部单裂纹圆盘试样；
图3是本发明实施例提供的爆炸实验加载装置示意图；
图4是本发明实施例提供的数据采集系统示意图；
图5是本发明实施例提供的裂纹尖端处的裂纹扩展计及其粘贴位置示意图；
图6是本发明实施例提供的裂纹扩展计测量数据采集处理后及扩展时刻tp示意图；
图7是本发明实施例提供的试样的典型破坏模式图；
图8是本发明实施例提供的作用于试件的荷载时程曲线示意图；
图9是本发明实施例提供的裂纹尖端坐标及1/4节点奇异单元示意图；
图10是本发明实施例提供的试样的AUTODYN模拟模型示意图；
图11是本发明实施例提供的实验结果和AUTODYN模拟结果对比图；
图12是本发明实施例提供的动态应力强度因子时程曲线示意图。
具体实施方式
为了更加清晰明了地解释本发明的目的、技术方案及优点，下文将结合实施例，对本发明实施过程进行全面的阐述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例在爆炸荷载下I型裂纹动态止裂韧度的测试方法包括以下步骤：
Step1：利用大尺寸内部单裂纹圆盘试样，通过8#雷管爆炸实验装置，实现对试样的爆炸加载，以完成实验；
Step2：将测得的电压信号转换为压力值，输入ABAQUS有限元软件，根据位移外推法，可计算试样裂纹尖端的动态应力强度因子时程曲线，再根据裂纹扩展计，得到裂纹对应的断裂时刻，确定其动态断裂韧度值。
本发明的工作原理：
本发明利用大尺寸内部单裂纹圆盘试样，采用8#雷管爆炸实验装置实现对试样的爆炸加载，通过裂纹尖端的裂纹扩展计适时监测动态裂纹的扩展行为。将通过示波器与超动态应变仪搭接的数据采集系统采集到的应变信号转换为压力时程曲线，代入ABAQUS有限元软件，基于位移外推法计算出试样的动态应力强度因子，再由裂纹断裂时刻确定动态断裂韧度，最终完成在爆炸荷载下I型裂纹动态断裂韧度的测试方法这整个流程。
本发明的具体实施例流程：
第一步，本发明采用特别设计的大尺寸内部单裂纹圆盘试样，如图2所示，试件为砂岩材料，试样尺寸为：a = 100 mm，r = 3.5 mm，R = 250 mm，试件厚度B = 20 mm，应变片与炮孔距离h1 = h2 = 30 mm，弹性模量12.5GPa，泊松比0.26；密度ρ = 2.350 g/cm3，抗拉强度σt = 30MPa；需注意的是，本发明中测试的断裂韧度是指裂纹从起裂到扩展再到止裂过程中的韧度值。
第二步，采用8#雷管爆炸实验装置，实验装置如图3所示，并使用系统配套的数据采集系统进行数据采集，数据采集系统如图4所示。采样频率为10MHz，即1 μs采集10个数据点，裂纹的断裂过程及其断裂的时刻通过粘贴于预制裂纹尖端的裂纹扩展计采集到的电信号来确定，具体原理为，当裂纹尖端起裂时，粘贴在预制裂纹尖端的裂纹扩展计第1根敏感栅被拉断，如图5所示，造成其电阻增大，致使裂纹扩展计两端电压骤然增大产生台阶电压信号，表明裂纹开始起裂、扩展，随着裂纹的继续扩展，裂纹扩展计剩余的敏感栅逐一被拉断，电阻逐渐增大，造成其两端电压信号逐渐增大，产生一次次的台阶电压信号。这样，动态裂纹每扩展一次，其扩展时刻就被记录下来。
从上述可知，通过数据采集系统采集到的电压信号是一个阶梯状变化的曲线，敏感栅的断裂会导致电压信号阶跃式变化，如图6所示，将电压信号对时间求导，其导数的极值时刻即为裂纹扩展至此根敏感栅的时刻，第一个导数极值对应的时刻为裂纹起裂时刻，记为ti，之后的导数极值对应的时刻为裂纹扩展时刻，记为tp，最后一个导数极值对应的时刻为裂纹止裂时刻，记为ta；通过有限元数值计算软件，建立1:1的数值模型，将实验得到的实际材料参数与压力时程荷载曲线带入数值软件，得到应力强度因子时程曲线，通过断裂时刻ti、tp以及ta可确定动态裂纹的动态起裂韧度、扩展韧度以及止裂韧度等动态断裂参数。
图7所示为试件典型破坏模式，可以看出裂纹基本呈直线扩展，由于砂岩本身的不均质性，存在一定的偏差，但均在裂纹扩展计的检测范围，属于典型的I型裂纹扩展破坏。本发明主要测试的是动态裂纹断裂时刻的断裂韧度，本测试结果为I型裂纹动态断裂韧度。
第三步，数值模拟计算：
本发明例采用实验-数值法进行计算，其原理为通过实验得到加载波形及确定的断裂时间，进而把试验所得加载波形输入到有限元软件ABAQUS中进行数值模拟计算，可得到动态应力强度因子时程曲线，同时根据断裂时间进一步得到动态裂纹断裂韧度。
计算动态应力强度因子：
采用8#雷管爆炸实验装置实验装置进行动态断裂实验，通过数据采集系统采集炮孔附近粘贴的径向、环向应变片信号，导入数据处理软件Origin进行数据处理，进而可得爆炸应力波的加载压力时程曲线P(t)：
其中， Ed为动态弹性模量，vd为动态泊松比。径向应变片测得的应变为er，环向应变片测得的应变为ec，其中以拉应变为正，压应变为负。通过式(1)，可得到作用于试样的压力波形图，如图8所示。
根据断裂动力学理论，图9中I型裂纹尖端附近y方向的位移场可写为：
其中：
在平面应变条件下，其裂纹的张开位移可表示u(r,+π,t)-u(r,-π,t)，由式（2）可得：
其中，由式（3）可得裂纹表面某点处的张开位移为：
式（2）所采用的极坐标及1/4节点奇异单元如图9所示，在裂纹周围使用1/4节点奇异单元描述裂纹尖端应力场和应变场的奇异性，试样处于平面应变状态。设裂纹面上节点A，B，O的应力强度因子分别为KIA(t)，KIB(t)，KIO(t)，其中KIO(t)即为裂尖处的应力强度因子值KI(t)，从图9中的关系rOB = 4rOA，可得裂尖的应力强度因子计算公式为：
根据公式（4），可将式（5）写为，
同时本发明采用有限元差分软件AUTODYN进行模拟，试样的有限元模型如图10所示。模拟结果与实验结果基本一致，对比图如图11所示。接着采用有限元软件ABAQUS计算裂纹尖端处的应力强度因子，在裂纹尖端处采用6节点三角形单元，其余全部采用8节点四边形单元，其材料参数及模型尺寸已在上文中给出。
将图8中的压力时程曲线输入有限元软件中，基于式（6）即可计算出在该时刻的I型动态应力强度因子。
计算结果：
如图12所示，为试样动态应力强度因子时程曲线，在此我们所测试的裂纹动态断裂韧度，即为图11中曲线在ti、tp以及ta时刻对应的应力强度因子值：
其中ti、tp以及ta是动态裂纹的起裂时刻、扩展时刻以及止裂时刻，加载速率为裂纹的动态起裂韧度与裂纹起裂时间的比值，即：
按上述方法，最终得出该组试件的动态断裂韧度韧度及其加载速率将其平均值列于表1中。
表1 试样平均动态断裂韧度及平均加载速率：
上述仅为本发明例较佳实施例流程，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。