Page 109 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 陶子豪，等： 爆破荷载作用下透明脆性材料的三维裂纹扩展行为 第 9 期

compressive-shear to tensile failure with increasing distance from the explosion center. This shift is accompanied by a decline
in both the fractal dimension of the crack distribution and the overall damage degree of the model.
Keywords: brittle materials; blasting load; dynamic fracture; three-dimensional crack; topographical feature

钻爆技术凭借其效率高、成本低及施工灵活等优势，广泛应用于矿山开采、隧道掘进及城市地下空
间开发等工程。通过合理布设炮孔，钻爆法能够有效释放炸药能量，实现对岩体的定向破碎。在爆破设
计过程中，装药量、孔间距及起爆延期等关键参数的优化配置，是提高爆破作业效率、控制爆区形态及
降低环境扰动的关键所在。因此，准确掌握爆炸载荷作用下裂纹的空间分布特征和演化规律，对于爆破
参数设计及优化具有重要的理论意义和工程价值。爆炸诱导裂纹的产生、扩展及贯通过程直接决定了
岩体的破碎程度和爆破效果；而由爆破应力波与爆生气体共同作用引发的次生裂纹，则对炮孔周边保留
岩体的完整性和稳定性产生重要影响，需在设计和施工过程中加以控制。
爆炸载荷作用下的动态断裂问题是爆破破岩、油气开采及工程防护等领域的核心科学问题。近年
来，众多学者围绕脆性材料中的爆生裂纹扩展行为开展了大量研究，取得了一系列重要成果。基于有机
玻璃（polymethyl methacrylate, PMMA）材料的透明特性，杨仁树等 [1-2] 和岳中文等 [3] 利用数字激光动态焦
散技术对二维爆破模型进行了系统试验，重点探讨了微差延时条件下裂纹动态强度因子及扩展方向的
变化规律。李清等 [4] 和郭洋等 [5] 借助 LS-DYNA、ABAQUS 等数值模拟软件，深入分析了单孔爆破条件
下孔底裂纹扩展行为及孔间应力场叠加效应对裂纹贯通的影响。
在复杂加载条件下，静载与爆炸荷载的叠加对裂纹行为产生显著影响。如杨立云等 、马泗洲等 、
[6]
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岳中文等 和葛进进等 通过施加围压模拟深部岩体环境，揭示了主应力对爆生裂纹扩展方向和速度的
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控制机制；刘健等 [10] 则从装药结构出发，探讨了煤岩介质中反射拉应力对裂纹扩展的主导作用。此外，
马军等 [11] 构建了装药不耦合系数与主裂纹长度、扩展速度之间的量化关系；Daehnke 等 [12] 和 Forquin 等 [13]
将叠氮化铅作为爆破材料，研究了 PMMA 样本中动态断裂的传播，发现应力波的传播速度迅速，高于裂
纹的扩展速度，并且大多数断裂是由爆生气体引起的加压而产生的。
研究人员研究了预制缺陷对裂纹行为的影响，发现裂纹扩展路径受应力波方向和几何缺陷控制。
沈世伟等 [14] 通过人工预制缺陷，探究了不同缺陷角度情况下爆生裂纹的扩展规律，发现预制裂纹对爆生
裂纹的扩展具有导向作用，裂纹扩展前期的动力主要是压缩波和剪切波作用时间差而形成的应力差，扩
展后期的动力主要是爆生气体的准静压作用，如图 1 所示。王雁冰等 [15-16] 重点研究了预制水平和竖直缺

Rock
Blast hole
Stemming
Ⅲ Peak pressure
Detonation
Pressure
area PointⅢpressure
Ⅱ PointⅡpressure

Ⅰ PointⅠpressure

Primer
O Time
Crushed zone Cracked zone
(a) Zoning of blasting damage to (b) Schematic diagram of the pressure on
columnar drug packets the hole wall at the feature point
图 1 爆炸过程及炮孔内不同位置的孔压
Fig. 1 Detonation process and hole pressure at different positions in the hole

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