Page 137 - 《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

Rayleigh 波速 [37] 。在 t=95.00 μs 时，沿着爆炸裂 t=98.33 µs
S-wave
纹方向，可以观察到形态上为锥形的光弹条纹，
如图 8(a)～(b) 中白色虚线锥形尖端，也正是波
阵面外包络线所在位置，从预制裂纹向炮孔方向 Crack 5 4 3 2 1
surface
传播，后面紧跟着卸载波作用下的不规则光弹条
纹。这种现象与断层面上的超剪切破裂 [38] 较类
10 mm
似，因此类比作以下分析：当爆炸裂纹面受到剪
切扰动时，会产生无数扰动点，每一个扰动点相 图 9 裂纹面扰动产生的 S 波马赫锥
当 于 一 个 新 的 振 源 ， 向 外 发 射 新 的 S 波 ， 无 数 Fig. 9 S-wave Mach cone generated by crack surface disturbance
S 波波阵面相互叠加，其外包络线即为锥形马赫波，波形形态分析如图 9 所示，图中的数字代表扰动源的
编号。在此传播过程中，在 t=96.67 μs 之后，预制裂纹尖端的光弹条纹级数保持为 2.5 不变，典型Ⅱ型裂
纹尖端的光弹条纹形态发生畸变，随马赫锥的远离，光弹条纹面积一直减小。

3.5 讨论
采用以上方法，分析爆炸发生后爆炸裂纹与静止裂纹贯通的全过程以及反射爆炸应力波与裂纹相
互作用的动力学特征。从光弹等差条纹、裂纹运动特征和裂尖应力特征 3 个方面，展现出反射爆炸应力
波对三者影响的一致性。在单孔爆破发生后，爆炸应力波前沿为压缩应力波，后沿为拉伸应力波，最后
为剪切应力波，经过上下边界反射以后会发生波性质的转换，前沿压缩应力波产生的 PrP 波为拉伸应力
波，后沿拉伸应力波产生的 PrP 波为压缩应力波，剪切应力波产生的 PrS 波仍为剪切应力波。入射爆炸
P 波的拉伸项能够促进爆炸裂纹的扩展，而压缩项抑制其扩展，入射爆炸 S 波能够使裂纹发生偏转。本
实验中反射 PrP 波对爆炸裂纹的作用规律与入射爆炸 P 波几乎相同。但是在反射 PrS 波作用下，裂纹虽
然呈现上下起伏的波浪状向前扩展，但是仍然沿着切槽方向扩展，并且促进了裂纹扩展。在反射爆炸应
力波的控制下，裂纹难以均匀稳定扩展。由于反射爆炸应力波和裂纹尖端应力场的作用机理较复杂，在
已有的成果中涉及此方面的具体分析甚少。本文中详细记录了反射爆炸应力波与爆生运动裂纹的作用
过程，定量分析了两者相互作用过程中裂纹尖端的应力场变化特征。结果表明，反射应力波明显导致运
动裂纹速度和扩展方向的不稳定发展，并且应力波显著改变了奇异和非奇异应力场。在爆炸裂纹与预
制静止裂纹贯穿前，部分能量以弹性能的形式储存在试件中，当裂纹发生贯通的瞬间，储存的弹性应变
能在短时间内释放出来，形成卸荷应力波。裂纹面附近储存的弹性能以卸载波的形式向外释放。本实
验采用的炸药量较小，因此在卸载波作用阶段仅观察到预制裂纹尖端的剪应力集中现象，并未观察到卸
载波对爆炸裂纹和预制裂纹造成二次破坏。若岩体处于高地应力并且炸药量足够，卸载波携带的能量
足够引起静止裂纹次生裂纹的产生 [39] 。为提高工程爆破质量，提高爆炸破岩能量利用率是关键，利用反
射爆炸应力波和卸载波携带的能量，优化起爆间隔时间和装药量等爆破参数的设置。

4 结 论

采用爆炸动光弹的实验方法，研究了反射爆炸应力波作用下的动静裂纹作用关系及贯通后的瞬态
卸荷现象，分析了反射爆炸应力波动静裂纹贯通过程中裂纹的扩展，揭示了运动裂纹与静止裂缝贯通时
弹性应变能快速释放的机理，得到如下主要结论。
(1) 反射爆炸应力波会显著影响爆炸裂纹的扩展行为。PrP 波前沿为拉伸波，后沿为压缩波，PrP 拉
伸波促进裂纹的扩展，而 PrP 压缩波抑制裂纹的扩展。PrS 波会导致裂纹的不稳定传播，包括方向的偏
转和速度的变化，导致裂纹呈现波浪状向外扩展。
(2) 反射爆炸应力波作用于裂纹时，PrP 波前沿拉伸波向裂纹尖端施加拉伸应力，增大动态强度因子
K Ⅰ ，促进同向裂纹扩展；PrP 波后沿压缩波向裂纹尖端施加压缩应力，应力强度因子 K Ⅰ 和 K Ⅱ 均减小，抑
制同向裂纹扩展。PrS 波向裂纹尖端施加剪切应力，增大应力强度因子 K Ⅱ ，加速同向裂纹扩展。

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