Page 135 - 《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

3.87 和 3.52 MPa； σ oy 在此阶段转变为负值，在 t=55.00 μs 时，绝对值达到 6.03 MPa。随后，受到波后压缩
σ ox 开始下降，在 σ ox 降至谷底时，
波的作用， t=58.33 μs 时，下降至−0.99 MPa；同时 σ oy 和 σ oxy 持续增大，在
σ oxy 达到峰值，分别为 6.86 和 6.24 MPa。随后，在 PrS σ oy 在
σ oy 和 波作用阶段， σ ox 和 σ oxy 开始缓慢增大，
负值以下波动，可见 PrS 波对 σ oy 影响很小。
综上，当 PrP 波前沿拉伸波入射到爆炸裂纹尖端，应力强度因子 K Ⅰ 急剧增大， K Ⅱ 几乎为零，非奇异
σ ox 为拉应力，裂纹面受到的拉应力提高，促进裂纹扩展，导致裂纹扩展速度升高，裂纹主要为Ⅰ型
应力
断裂。当 PrP 波后沿压缩波入射到爆炸裂纹尖端，应力因子 K Ⅰ 急剧减小， K Ⅱ 增大，非奇异应力 σ ox 降低，
σ oxy 提高，在压缩应力和剪应力的共同作用下，裂纹扩展速度降低，裂纹演化为Ⅰ、Ⅱ复合型断裂。
σ oy 和
当 PrS 波入射到爆炸裂纹尖端，应力强度因子 K Ⅰ 略微起伏， K Ⅱ 持续增大，非奇异应力 σ ox 和 σ oxy 开始缓
σ oy 在负值轻微波动，裂纹尖端受到拉应力和逐渐提高的剪应力作用，裂纹扩展速度提高，裂纹
慢升高，
仍以Ⅰ型断裂为主，Ⅱ型断裂占比也高于 PrP 波作用阶段。
在反射爆炸应力波传播后段，反射波与反射波在边界再次反射产生的应力波叠加，但是此时应力波
较之裂纹尖端应力场已经极其微弱，几乎无法产生影响。因此，在 PrS 波通过后，裂纹恢复到未与应力波
K Ⅱ 在爆炸裂纹和静止裂纹贯穿前均
发生作用的状态，受到静止裂纹对爆炸裂纹扩展的抑制作用， K Ⅰ 和
出现下降。在爆炸裂纹与静止裂纹贯穿之前，裂纹尖端裂纹过于密集，难以进行识别和判读，因此不做
讨论。

3.4 弹性能快速释放过程
在单孔爆炸作用过程中，爆破裂纹的萌生及扩展受到了 2 种荷载驱动：爆炸应力波和爆炸气体。首
先，爆炸应力波催生出微裂纹，在不断累积后产生裂纹，并沿切槽方向扩展；随后，爆炸气体楔入裂纹，在
裂纹尖端施加拉应力，进一步促进裂纹的扩展。本实验中选用的环氧树脂试件可以认为是弹性体，在裂
纹扩展过程中，爆炸应力波和爆炸气体的能量转化为弹性能储存于裂纹面附近的弹性体中，对于这些弹
性体来说，这一过程相当于施加应力的过程。当爆生裂纹开始扩展，裂纹尖端发生局部的变形和不完全
回弹，弹性能在裂尖附近不断积累，在爆炸裂纹与预制裂纹贯通的瞬间，裂纹处积累的弹性应变能快速
释放，产生类似于开挖动态卸荷、岩爆等岩体动力学现象。
爆炸裂纹与预制裂纹贯通后弹性能快速释放的光弹条纹系列图片如图 8 所示。在 t=88.33 μs 时，图 8(a)
中白色圆圈虚线位置发生爆炸裂纹与预制裂纹贯通，爆生裂纹与预制裂纹相交处出现不规则光弹条纹
沿预制裂纹方向向外扩展，弹性能快速释放产生卸载波。预制裂纹两端发生应力集中，通过光弹条纹形
态可判定此时光弹条纹以Ⅱ型为主，受剪切应力主控，因此认为卸载波为 S 波。如图 8(b) 所示，在卸载
波向外传播过程中，预制裂纹尖端最外侧的光弹条纹级数从 1.5 增大至 2.5，并且面积不断增大，即为光
弹条纹测量值 r 增大，光弹条纹级数 n 增大，根据式 (4) 得到应力强度因子也随之增大，表明卸载波能够
促进预制裂纹尖端的应力集中。最终，在预制裂纹尖端萌生次生裂纹，如图 8(c) 所示。
另一方面，卸载波沿着已存在的爆生静止裂纹方向扩展。在卸载波传播过程中，裂纹面上产生Ⅱ型
剪 切 扰 动 ， Ⅱ 型 断 裂 的 断 裂 速 度 可 以 超 过 剪 切 波 速 ， 介 于 S 波 波 速 与 P 波 波 速 之 间 ， 且 一 定 高 于

10 mm 10 mm 10 mm 10 mm
t=86.67 µs t=88.33 µs t=90.00 µs t=91.67 µs

061431-10