Page 88 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

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

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裂缝密度和冲击次数的关系见图 10。随着 14.4%
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冲击次数从 3 次、6 次增加至 9 次，裂缝密度从
6.5%、8.1% 增加至 14.4%，说明冲击次数越多裂 10
缝密度增加越明显。这是因为试样内部预先存在 Crack density/% 12 8 8.1%
的 裂 缝 造 成 了 多 次 冲 击 过 程 中 应 力 波 的 反 射 、 6 6.5%
折射等现象，加剧了试样内部的损伤，导致裂缝
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密度显著提升。可见循环冲击作用下损伤裂缝逐 2
步积累，该现象与脆性材料的疲劳破坏机制一致。 0

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2.3 试样形貌特征演变 3 Impact frequency 9
依据循环冲击过程中应变率呈现阶段性变
图 10 裂缝密度和冲击次数的关系
化的特征，选取了冲击 3 次、6 次和 9 次条件下
Fig. 10 The relationship between crack density
典型试样进行拍照和 CT 扫描，结果见图 11 和 and impact frequency
图 12。CT 扫描灰度图中亮度高的区域代表密度大，亮度低的区域（深灰或黑色）表示密度小，代表孔隙
或裂缝。第 3 次冲击时，试样表面未产生肉眼可见的破坏，但 CT 扫描结果显示试样边缘存在弧形裂缝，
由于试样损伤主要在内部、且裂缝细小，肉眼难以辨识。第 6 次冲击时，试样端部呈现肉眼可见的裂缝，
并有岩屑掉落，CT 扫描显示裂缝逐渐延展形成环状裂缝；第 9 次冲击时，试样表面肉眼可见环形裂缝，
CT 扫描证实试样内除了形成环状裂缝外，也伴随大量分支裂缝，导致试样破碎程度最大。

(a) Incident end, (b) Incident end, (c) Incident end,
three times of impact six times of impact nine times of impact

(d) Reflect end, (e) Reflect end, (f) Reflect end,
three times of impact six times of impact nine times of impact

图 11 循环冲击后试样宏观照片
Fig. 11 Macroscopic photos of specimens after cyclic impact
循环冲击作用下试样三维重构模型见图 13。冲击 3 次时，试样入射端和反射端均出现大量的损伤
孔隙和裂缝，入射端产生裂缝是冲击波荷载大于起裂强度造成的，反射端产生裂缝是反射拉伸波沿层间
传播造成的 [30] 。冲击 6 次时，当预先存在于裂缝尖端的应力大于“弱化”强度时 [31] ，裂缝将继续扩展，使
得孔裂缝分布范围扩大，同时又有少量裂缝延伸距离较长并贯通整个试样；冲击 9 次时，产生的损伤孔
裂缝继续向反射端扩展，最终形成“锥形”环状裂缝。该裂缝分布特征的形成与实验过程中荷载施加
条件有关。如图 14 所示，冲击过程中试样承受围压（F ）作用，一方面限制了试样侧向变形，另一方面增
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加了断面摩擦力（f），这既降抑制了径向裂缝的形成，又增强了轴向的剪切作用，导致试样在冲击动荷载
（F ）作用下形成明显的斜主裂缝面。在循环冲击和围压共同作用下，试样内部的损伤在冲击动荷载和围
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压限制的共同作用下逐步扩展：初期，裂缝主要集中于入射端和反射端，受冲击波和拉伸波的作用产生
裂缝；随着冲击次数增加，裂缝尖端的应力超过“弱化”强度，裂缝进一步扩展并贯通试样；最终在多次
冲击后，裂缝呈现出锥形环状和分支裂缝分布特征，破坏形式主要表现为压剪破坏。

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