Page 91 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 崔 鹏，等： 动荷载下硅砂的破碎特性及吸能效应试验研究 第 9 期

energy absorption efficiency is influenced by factors such as mineral composition, particle size, and differentiation degree.
Under identical stress levels, larger particle sizes demonstrate greater energy absorption efficiency; similarly, under identical
loading strain rates, larger particles exhibit lower peak stress. To improve sand's energy absorption efficiency and reduce
required loading levels, sand with larger particle sizes is recommended.
Keywords: silica sand; split Hopkinson pressure bar; fractal crushing characteristics; energy absorption effect

砂是一种具有多孔、松散和高压缩性特点的颗粒状材料 ，在爆炸、冲击和振动荷载作用下，会发生
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显著的变形和破碎效应 ，对应力波有极强的弥散和衰减特性，被广泛应用于军事防护分配层 [3] 和抗落
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石冲击棚洞（挡墙）缓冲层 等方面。与固体材料不同，由于砂的流固特性，动荷载下材料的应力-应变关
系更为复杂。压缩过程中，大孔隙对颗粒的破碎具有促进作用，随颗粒的破碎，颗粒之间接触形式改变，
[5]
刚度显著提高 ，砂由初始高压缩性“流相态”转变为低压缩性“固相态”，表现出致密的类岩特
[6]
性 。研究动荷载作用下砂的应力-应变关系和颗粒破碎特征对于了解在砂中打桩、振冲、强夯及爆炸冲
击中的动力学特性具有重要意义。
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砂的动力学响应研究可采用重锤系统 、激波管 、摆锤 、爆炸模型试验 [10] 及分离式霍普金森杆
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（split Hopkinson pressure bar, SHPB）等试验进行。然而，通过落锤和摆锤装置很难获得中高应变率条件
下材料的力学响应，而爆炸模型试验通常使用嵌入式压力计获取应力数据，由于应力计与材料波阻抗的
巨大差异以及压力计对应力波的干扰，可能会导致穿过试样的透射应力大于入射应力的问题 [11] 。SHPB
通过测试入射杆和透射杆两端的弹性变形进而计算试样两端的应力和应变特征，成功地解决了在试样
同一位置同时测量随时间变化的应力和应变的难题，得到的结果比嵌入式压力计更准确，且可以通过改
变杆径和提高子弹速度进行高应变率加载。针对散体颗粒的破碎特性及本构模型，董凯等 [12] 采用 SHPB
试验和数值模拟构建了珊瑚砂应变率强化动态本构模型。Luo 等 [13] 对 9 组不同颗粒级配的埃格兰砂试
样进行了重复冲击试验发现，较大颗粒在动态压缩下更容易破碎，而致密小颗粒具有更好的吸能效果。

Ouyang 等 [14] 研究了钙质砂的动态压缩性能表明，冲击荷载作用下，钙质砂的表观动态刚度仅为硅砂的
1/8～1/9，且钙砂在较低应力下的吸能效果比硅砂更佳。Lv 等 [15] 对比了粒径对钙砂和硅砂动态应力-应
变的影响，发现钙砂比硅砂更容易破碎，且钙砂的吸能效率随粒径增大而提高，但硅砂的吸能效率随粒

径增大而降低。Xu 等 [16] 研究了不同粒径分布钙砂的断裂特性，证明细颗粒的破碎受加载率和含水率的
影响更显著，而中颗粒和粗颗粒的破碎主要受应变速率的影响。Xiao 等 [17] 对比了准静态加载和高应变
率加载工况下碳酸盐砂的动力响应，发现在相同应力水平下，准静态加载条件下颗粒的破碎程度高于动
态加载。
已经证实，颗粒破碎对砂的刚度 [18] 和强度 [19] 有重要影响。影响颗粒破碎的主要因素可归纳为初始
级配 [20] 、粒径 [21] 、外应力 [22] 和饱和度 [23] 等。多种因素耦合作用的影响导致砂的动力响应表现出高度非
线性的特点，已有相似的研究成果尚未形成统一的认识，甚至出现彼此矛盾的情况 [24] 。此外，既有砂的
破碎特性研究主要集中于静态/准静态等低应变率加载条件，作为一种应变率相关性材料，不同加载速率
下砂的力学特性会发生较大改变。为此，本文中基于 SHPB 开展硅砂在中高应变率的冲击试验，测试粒

组分别为 2.5～5.0 mm、1.25～2.50 mm、0.60～1.25 mm 和＜0.3 mm，分析粒径和应变率对硅砂动力学行
为的影响，并对颗粒分形破碎和能量吸收特征进行量化和分析。

1 试 验

1.1 试验装置及原理

SHPB 装置主要由加载系统、压杆系统以及数据采集模块组成，如图 1 所示。加载系统通过压缩氮
气驱动子弹撞击入射杆，其中子弹速度可通过调节气压控制。压杆系统由入射杆和透射杆组成，杆径为
40 mm，长度分别为 2 400 和 2 000 mm，材质为 7075 铝合金，弹性模量为 71 GPa，弹性波在杆内的传播速

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