Page 127 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 周星源，等： 反射爆炸应力波作用下动静裂纹的贯通机理 第 6 期

compressive component of the reflected pressure wave applies compressive stress to the crack tip, resulting in a decrease in the
dynamic stress intensity factor K and suppressing crack propagation. Reflected shear waves can cause unstable crack
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propagation. It causes changes in the direction and velocity of crack propagation, resulting in a wavy crack trajectory. After the
penetration of dynamic cracks and prefabricated cracks, the elastic energy stored near the crack tip is rapidly released to
generate unloading waves. Due to the action of the unloading wave, stress is concentrated at the tip of the pre-existing crack,
causing the formation of a secondary crack at the tip of the pre-existing crack.
Keywords: reflected explosion stress wave; stationary crack; explosion crack; unloading wave

近年来，定向断裂技术在井巷爆破中取得了长足的发展 。在天然岩体中存在着大量的裂隙、节
[1]
理，这些缺陷不但对爆炸应力波的传播和爆炸裂纹的扩展行为产生显著的影响，也会在爆炸裂纹与裂隙
节理贯通的瞬间诱发瞬态卸载现象 。由于岩石的不透明性、爆破的瞬态性、现场测试的局限性等，难
[2]
以准确观测岩石内部爆炸应力波与爆破裂纹的作用等现象。因此，通过室内模型实验，研究爆炸应力波
作用下裂纹-裂隙节理作用关系及其瞬态卸载现象，对实现精细化爆破有重要意义。
学者们通过实验测试和理论分析等方法，对爆炸应力波的传播特性，在界面处的反射、衍射和透射
问题等方面已取得一定的研究成果。裂纹端部的物理特征可以由应力强度因子完全表征，因此应力强
度因子可以用来衡量裂纹的稳定程度 。考虑到应力波对裂纹扩展过程的影响，Freund 确定了应力波
[4]
[3]
加载下各向同性弹性体中非均匀扩展半平面裂纹尖端应力强度因子的求解方法。王明洋等 [5] 通过分析
缓倾角断层与节理带的几何关系，得到了摩擦滑移条件下，应力波在节理处的透反射关系。由于应力波
与 裂 纹 作 用 具 有 瞬 时 性 和 复 杂 性 ， 因 此 引 入 光 测 实 验 可 以 较 好 地 对 此 作 用 过 程 进 行 观 测 和 研 究 。

Rossmanith 等 [6-7] 利用动态光弹与高速摄影相结合来研究应力波与运行裂纹的相互作用，分析实验数据
以研究运动裂纹尖端的波散射效应，发现应力波影响裂纹的扩展行为，导致裂纹分支的出现。Theocaris [8]
使用动态焦散系统记录了在申克动态仪加载下有机玻璃的断裂过程，分析了反射应力波在各部分边界

产生的次生断裂。朱振海 [9] 利用动光弹实验研究了爆炸应力波和爆炸产生的静止径向裂纹的相互作用，
并且分析了反射应力波对裂纹的作用，从应变能释放的角度考虑了膨胀波对裂纹扩展和分叉的影响。
考虑到在应力波作用下裂纹不会沿固定方向匀速扩展，Dally [10] 和 Freund [11] 将裂纹扩展速度与应力强度
因子联系起来，使用动光弹方法观测裂纹扩展过程中光弹系列条纹的形态变化，提出了考虑应力波传播
速度和裂纹扩展速度的应力强度因子计算方法。Dally 等 [12] 对狗骨头形状的 Homalite 100 试件进行了爆
炸光弹实验，观测到了爆炸应力波在“狗骨头”角落边界的反射现象。Xu 等 [13] 研究了爆破应力波与对
向传播裂纹的相互作用，着重分析了在爆炸应力波正入射接触裂纹尖端的过程中，光弹系列条纹发生的
畸变现象，并且展现了非奇异应力项的变化规律。岳中文等 [14-15] 使用含预制裂隙的有机玻璃试件开展
了爆炸实验，通过定量分析动态能量释放率随动态裂纹扩展时间和应力强度因子的变化关系，发现在爆
炸应力波作用下，裂纹尖端的动态能量释放对裂纹扩展具有驱动作用。Qiu 等 [16] 在有机玻璃板上使用切
缝药包控制主裂纹的形成，通过动态焦散线方法分别观测正入射爆炸应力波和反射爆炸应力波对焦散
斑的作用，提出了爆炸应力波作用下畸变焦散斑的测量方法。上述学者对爆炸应力波与动态裂纹的相
互作用机理和演化规律进行了较详细的研究，缺少对反射爆炸应力波与运动裂纹相互作用的系统分析，
对于反射爆炸应力波和运动裂纹扩展方面仍存在一些不足。
岩体爆破开挖过程中，爆炸裂纹与裂隙节理贯通时，存在着岩体开挖荷载的瞬态卸荷以及岩体所积
累弹性应变能的快速释放 ，从而造成岩体开挖松动。开挖动态卸荷、岩爆、采矿诱发的微地震等动力
[2]
学现象均伴随着弹性应变能的快速释放 [17-19] 。爆炸荷载在岩体中造成初始裂隙后，环向拉应力、径向拉
应力等引起岩体中的裂纹扩展 [20] ，随后能量较高的爆生气体将岩块抛离开挖面，导致开挖面的岩体出现
瞬时卸荷，形成卸荷应力波 [21] ，致使围岩受到损伤。祝启虎 [22] 和李峰等 [23] 从围岩损伤、围岩振动等方面
指出，初始地应力的瞬态卸荷比爆炸荷载对围岩的损伤更明显。

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