土壤在冲击载荷作用下的动态力学行为是岩土工程、土力学和保护工程领域的关键科学问题[[1], [2], [3]]。在岩土工程中的动态压实[4,5]、动力触探[6,7]以及爆炸冲击[8]等实际场景中，土壤常常会遭受高速、高能量的瞬时冲击，其力学响应表现出显著的速率效应、惯性效应和能量耗散特征，这些都与准静态加载条件下的响应有很大不同。尤其是风成沙这种典型的松散颗粒材料，在冲击作用下极易发生颗粒流动，从而导致更为复杂的动态响应机制。因此，深入理解土壤在冲击载荷作用下的破坏机制及其演化规律，对于提升车辆与地形的通行性[[9], [10], [11], [12]]以及评估地基的动态稳定性[13,14]具有非常重要的意义。
目前，土壤在静态载荷作用下的力学性质已得到广泛研究，相应的本构模型和分析方法也已建立。然而，冲击载荷的特点是作用时间短、加载速率高且能量集中，这很容易引发土壤的介观结构变化，如颗粒重排和破碎[[15], [16], [17], [18]]，从而导致更为复杂的宏观力学行为。特别是在干燥的砂质土壤中，颗粒间的摩擦力、碰撞力和惯性力的耦合作用使得冲击能量的传递和耗散途径多样，且破坏模式呈现出空间上的非均匀性[19,20]。土壤在高应变率动态载荷作用下的力学性能与准静态加载下的性能有着本质区别[[21], [22], [23], [24]]。研究表明，加载速度的增加会提升土壤的应变率，从而使屈服应力及强度等宏观力学参数发生动态增强。因此，静态破坏准则和深度预测模型往往无法准确描述土壤的动态响应[[25], [26], [27]]，这在评估冲击引发的破坏范围和深度时带来了不确定性。
为了从根本上了解土壤在冲击载荷作用下的变形机制，从颗粒尺度进行观察已成为一种重要方法。例如，Zhang等人[28]开发了一种专门用于研究土-结构界面剪切行为的装置，能够测量界面附近土壤颗粒的位移场，包括单个颗粒的平移和旋转情况。Chang[29]则引入了粒子图像测速法等非侵入式可视化技术，为地质材料内部变形的介观尺度观测开辟了新途径。该技术利用折射率匹配的透明颗粒和孔隙流体来模拟天然土壤，并通过数字图像相关技术准确捕捉内部位移场。它已被成功应用于桩基贯入等静态问题的研究。不过，这类成熟的技术大多应用于准静态或低速压缩和剪切场景。在冲击载荷所具有的瞬态、高能量且高度破坏性的条件下，如何有效捕捉并量化颗粒内部运动的整个过程仍然几乎未被探索。现有的宏观动态测试方法，如分裂霍普金森压杆试验机，主要用于测量高应变率下材料的应力-应变关系[[30], [31], [32], [33]]。然而，SHPB也存在明显局限：它主要关注宏观力学响应，难以用于直接观察材料内部的介观变化，尤其是像土壤这样的颗粒材料的颗粒运动规律。
在分析土壤在冲击载荷作用下的响应时，大多数研究仍然依赖于基于准静态假设的经典本构模型，如莫尔-库仑模型或德鲁克-普拉格模型。虽然这些模型在静态或低速加载条件下表现良好，但它们难以捕捉土壤在高应变率作用下的速率依赖性行为。因此，构建一个能够纳入速率效应并整合宏观-介观机制的动态本构模型具有重要意义。这样的模型将有助于更精确地控制动态压实和冲击碾压等施工过程中的冲击能量传递和土壤压实效果。此外，它还能提升对土壤结构损伤的评估能力，以及在不寻常载荷作用下的安全设计水平，比如爆炸冲击或落石冲击等。
为了解决上述问题，本研究以西藏羊八井地区的风成沙作为研究对象。研究团队建立了一个集成高速摄影与分层示踪粒子技术的可视化实验平台，能够实时追踪整个冲击过程中的颗粒内部运动。值得注意的是，在实际工程场景中，如越野车辆的行驶，其加载速度大多处于低速范围（<5?m/s）。因此，本研究聚焦于2–3 m/s这一具有明确工程意义的速度范围，旨在揭示风成沙在该特定速率范围内的宏观与介观尺度破坏机制，从而为分析车轮与土壤的快速相互作用提供理论基础。
