Page 110 - 《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

陷对爆生裂纹扩展的影响，发现预制裂纹的发育依赖爆炸应力波的作用，爆生主、次裂纹扩展的加速度
和裂纹尖端的动强度因子呈现振荡变化趋势。与此同时，郭洋等 [17] 利用数值模拟技术和动态焦散实验
技术深入探究了与柱状药包呈 0°和 90°角预制缺陷下爆生裂纹的行为特征，提出了预制裂纹近、远端翼
裂纹的扩展规律。Jeong 等 [18] 利用 PMMA 圆柱体试件，结合数值模拟技术，探究了脆性材料在爆炸荷载
作用下的动态断裂行为，发现爆生气体驱动裂纹发育比冲击波压裂更具优势，此外，裂纹扩展的程度在
很大程度上取决于炸药装药量。
尽管学者们对二维平面裂纹的扩展规律已进行了较深入的探讨，但真实爆破过程中裂纹扩展具有
显著的三维特征。由于爆炸能量释放剧烈，过程极为短暂，孔壁附近的瞬时高压难以直接捕捉，且裂纹
扩展是典型的三维非稳态行为，传统方法难以观测其时空演化特征，因此，目前针对三维爆生裂纹扩展
机制的研究仍相对薄弱，缺乏系统的试验数据和定量的描述手段。
众多学者在爆炸裂纹扩展理论与形态等方面做了大量的研究，并取得了相应的成果。然而，大多
研究仅从二维层面进行裂纹分析，忽略了爆炸作用的三维事件特征；同时，传统物理模型试验并不能
将掏槽爆破裂纹的扩展过程可视化。因此，本文中将 PMMA 作为模型材料，基于其高透光性以及在爆
炸荷载作用下裂纹扩展形态与岩石类似的特性，探究掏槽爆破三维裂纹形态特征及扩展规律。使用
重氮二硝基苯酚（diazodinitrophenol, DDNP）炸药为试验提供爆破动载能量，结合三维扫描点云设备、
计算机断层 （computed tomography, CT）扫描系统展现爆后不同区域裂纹面的三维形貌，同时对爆后掏槽
腔体形态进行三维重构，分析多段起爆下透明非岩石材料三维裂纹的分布规律以及形态特征，探讨各区
域裂纹形态与应力场的耦合关系，揭示冲击波和爆生气体主导作用机制的空间演化规律。其中，高速摄
影用于获取爆生裂纹萌生及扩展的时序演化图像，捕捉不同时间节点的裂纹分布特征；点云重建技术则
用于后期对试件表面及内部裂纹形貌的三维建模，进一步提取各区域裂纹的几何特征参数，如扩展长
度、数量密度和空间分布形态等。在此基础上，引入分形维数、偏度及峰度等统计参数，对不同区域裂

纹面形貌特征进行定量分析，以期为爆炸载荷作用下脆性材料三维裂纹扩展的识别、分类和定量表征提
供实验依据。

1 试 验

模型尺寸为 20 cm×20 cm×20 cm，如图 2(a) 所示。试验过程中利用高速摄影仪捕捉爆破过程中裂纹
产生、扩展过程，相机设置在离模型 2 m 处，以 10 000 s 的采样频率和 682×764 的分辨率进行捕捉。同时，
−1
利用时序控制系统精确实现各炮孔间的延期时间，整个试验系统如图 2(b) 所示。将炮孔布置于模型顶部
中心位置，炮孔布局如图 2(c) 所示，所有炮孔分 3 段起爆，段间延期时间为 10 ms。炮孔和空孔均深 8 cm，
炮孔直径为 4 mm，空孔直径为 8 mm。DDNP 作为试验用炸药，采用连续耦合装药，单孔装药量为 70 mg，
装药高度为 7 mm，填塞高度为 20 mm，采用正向起爆方式，装药结构见图 2(c)，实际装药效果见图 2(d)。

20 cm

Oil sand blockage Blasting model
High-speed
photography
8 cm Excitation wire acquisition system
20 cm
20 cm Explosive Sequential
Fixtures detonation
device
Blasting medium
High-speed photography
control system

(a) Model schematic diagram and charge (b) PMMA model blasting system
structure of the gun hole

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