Page 86 - 《爆炸与冲击》2025年第6期
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第 45 卷 王 伟，等： 循环冲击作用下砂岩裂缝扩展及渗透率响应特征 第 6 期
0.10 Incident wave 150 σ In
Transmitted wave 100 σ Re
0.05 Reflected wave 50 σ Tr
σ In +σ Re
Signal voltage/V −0.05 0 Stress/MPa −50 0
−100
−0.10
−150
−0.15
−200
−0.20 −250
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 50 100 150 200 250 300
Time/ms Time/μs
图 5 SHPB 原始波形 图 6 应力平衡图
Fig. 5 SHPB original waveform Fig. 6 Stress balance diagram
试样在 9 次冲击过程中的动态应力-应变曲线见图 7。动态应力-应变曲线呈现明显的阶段性变化特
征，起初近似为直线（处于弹性变形阶段），之后曲线趋缓进入塑性变形阶段，接下来发生破坏进入峰后
卸载阶段，应变呈现逐渐减小的趋势，出现明显的“回弹”现象。但是，随着冲击次数的增加，动态应力-
应变曲线在弹性变形阶段之前出现压密阶段，表现为在应力随应变增加缓慢（冲击 3～7 次）或基本维持
不变（冲击 8～9 次）。这是因为原始试样较致密、无明显孔裂缝发育，近似于弹性体，受载未被压缩。在
冲击 3～7 次后，试样内产生少量冲击裂缝，动荷载加载后裂缝首先压缩闭合；在冲击 8～9 次后，试样内
部冲击裂缝大量发育，导致动荷载主要消耗于将压密裂缝，压密阶段最明显。
100
1st
80 Elastic stage 2nd
3rd
4th
60 5th
6th
Stress/MPa 40 7th
8th
9th
20
0
Compaction stage Elastic stage
−20
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Strain/10 −3
图 7 砂岩试样应力-应变曲线
Fig. 7 Stress strain curves of samples
冲击次数与应变率、峰值强度、弹性模量和峰值应变的关系见图 8。可见，冲击次数对试样的力学
参数呈现规律性的控制作用。前两次冲击平均应变率明显提升，之后趋于稳定，随着冲击次数从 4 次增
加到 7 次，平均应变率再次迅速升高，之后基本维持不变。这反映了循环冲击作用下试样内部裂缝“扩
展-压实-再扩展-再压实”的过程，即：随着冲击次数的增加，试样内损伤裂缝扩展，当裂缝发育到一定规
模时，试样波阻抗显著增大，导致冲击波快速衰减，能量更多损耗在压缩损伤裂缝上。
如图 8 所示，冲击次数与峰值强度和弹性模量呈线性负相关关系，与峰值应变呈现线性正相关关系，
拟合所得 R 均大于 0.97。这表明循环冲击过程中试样显示出明显的动态疲劳特性，即：随着冲击次数的增
2
多，试样内部损伤一直在累积，使得试样表现出更显著的破坏特征，其峰值强度和弹性模量逐渐降低。
而峰值应变正好相反，试样累积损伤的增大降低了其动态承载能力，使得即使每次以相同的加载压力冲
击试样变形也愈发明显。可见，循环冲击作用降低了试样的力学性能，有利于诱发产生更多损伤裂缝。
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