应力波特征分析：探索新视角

如前所述，应力波是外力作用下引起应力和应变在介质中传播的结果，故也称为应变波。

1. 应力波的产生

应力波的产生有两种情况，一种是冲击波随着距离和时间的增加而衰减成应力波，另一种是由外力不够猛烈，不够稳定，未构成冲击波，只形成应力波。

应力波波速等于介质中声速，炸药爆炸破坏岩石主要发生在这一区域内。其作用区域有：

（1）自由面（临空面）产生反射拉伸波的破坏作用。

（2）爆破中区（即紧接冲击作用的爆破近区以外部分）产生径向压应力和切向拉应力的破坏作用。爆破中区的破坏范围大小，取决于炸药能量和岩石性质等因素。

2. 原生爆炸应力波和次生爆炸应力波

通常的观点认为：岩石破碎是由爆炸应力波和爆生气体膨胀推力共同作用的结果。事实上柱状耦合装药爆炸时，爆生气体在破岩过程中除可以起到上述作用外，由于被压缩介质的回弹和高温、高压爆生气体的联合作用也产生冲击效应——应力波。对这种应力波徐国元博士称之为爆炸次生应力波，由爆轰波直接与介质相互作用产生的应力波称之为原生爆炸应力波。原生爆炸应力波和次生应力波是两个相互独立的波形。原生爆炸应力波具有完整的压缩相和拉伸相。而次生应力波只有压缩性，如图4-33 所示。

图4-33　耦合柱状药包应力波典型图

如果把波形看作时间的函数，原生爆炸应力波压缩相的加载速率为4.12×108μE/s。而爆炸次生应力波的波形加载速率为0.22×108μE/s。

原生爆炸应力波和次生爆炸应力分别为冲击能（ Es）和膨胀能（ Eb），它们之间具有内在联系，因为原生爆炸应力波和次生爆炸应力波分别是冲击能和膨胀能在介质中产生冲击效应的具体表现。

3. 固体中应力波与相对体积变形的关系(www.xing528.com)

固体介质中应力波与相对体积变形的关系如图4-34[11]。当固体中压应力σ 发生变化时，固体中传播的应力波幅值、形状及速度不同。

图4-34　压应力和相对体积的关系

（1）σ ﹤ σa时，由图4-39 可见dσ﹤dθ为常数，此关系对应于线弹性区域，传播的应力波为线弹性应力波，波速为固体纵波声速，即

式中 E、μ —— 杨氏模量、泊松比。

（2） σa﹤ σ ﹤ σb时，由图4-34 可见，即使压应力增加很小，介质质点也将产生较大的变形和位移，此阶段对应于塑性变形区域，这表明材料已经屈服，类似流体，因而不再能够承受剪应力，此阶段固体中传播的应力波仅为弹性纵波，而无横波。由图4-34 知dσ /dθ 比（1）阶段小得多（斜率减小），说明塑性波的传播速度低于弹性波波速。

（3） σb﹤ σ ﹤ σc时，由图4-34 可见，此阶段dσ /dθ 值大，但比阶段（2）值小，因此其传播速率小于声速，大于塑性波速，由于压应力值大于塑性阶段的压应力，因此固体中传播的应力波为亚声速冲击波。

（4）σ ﹥ σc时，由图4-34 可知曲线更陡，此阶段dσ /dθ 比（3）阶段值大得多，它比弹性波速大，压应力幅值远大于介质的塑性极限，因此传播的应力波为超声冲击波。

由以上分析可知，固体中的压应力决定了应力波的传播速度、波形等应力波特性。在炸药内部及近区（R ﹤Rc），压应力接近于爆压，固体介质中传播的应力波为冲击波，波形较陡，应力波的传播速度为超声速；随着距离的增大，在 Rc﹤ R ﹤Rb区域，冲击波的压应力幅值减小，传播速度减小，固体中的应力波为亚声速传播的冲击波区；在 Rb﹤ R ﹤Rs区域，应力波的幅值进一步减小，呈现弹塑性应力波的双波结构，弹性波传播速度为声速；塑性波的传播速度小于声速；在 Rd﹤R 区域，应力波幅值进一步衰减，固体中仅有弹性波传播，传播速度等于声速。典型的应力波形见图4-35[10]。

图4-35　典型的应力波形图