Page 69 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 张 旭，等： 高温大理岩的动态能量耗散机理及破坏特征 第 6 期

the characteristics of the energy evolution process, the point of a steep increase in dissipated strain energy is regarded as a
precursor information point of the precursor of overall instability and damage of marble. The inflection point at which the
growth rate of the elastic energy consumption ratio first appears is defined according to the curve of the stress-elastic energy
consumption ratio-strain relationship as the energy criterion of the strength failure of marble.
Keywords: high temperature marble; SHPB; energy dissipation; failure criterion

在向多元化“新能源时代”转型的大趋势下，为实现绿色低碳可持续发展，涌现出大量高温工程，
[1]
如矿产资源开发 、地热开发 [2-3] 、核废料处置、高地温隧道施工 [4] 等，促使高温岩石力学和岩石损伤破
坏等课题得到更多关注。实验研究表明 [5-6] ，温度是影响岩石动态力学响应的重要因素之一，能量是驱动
岩石变形破坏的本质因素。因此，分析高温岩石动态力学响应及能量演化的温度效应，可为高温岩石工
程在复杂赋存环境下的损伤破坏机理研究提供理论依据。
[7]
[8]
近年来，高温岩石动态的力学响应得到大量研究，Wang 等 、蔚立元等 、Ping 等 [9-10] 针对花岗岩、
砂岩开展了高温（25～1 000 ℃）动态压缩试验，研究了动态抗压强度、动峰值应变、动弹性模量、破坏程
度等受温度的影响规律，发现温度对岩石力学特性的影响存在阶段性，温度越高，岩石的动态强度劣化
越明显、动态峰值应变越大、动弹性模量越小、破碎程度越严重，岩石由脆性破坏转化为延性破坏。然
而，岩石对温度的响应临界阈值具有差异性，尚未达成一致：田文岭等 [11] 得到花岗岩在温度低于 450 ℃
时峰后表现为脆性破坏，高于 600 ℃ 时峰后表现出明显的塑性特征，450 ℃ 为阈值温度；吴顺川等 [12] 认
为花岗岩热损伤阈值温度在 400 ℃～600 ℃ 范围内，此时 P 波波速骤降且试样切片的裂纹密度骤增；夏
开文等 [13] 指出大理岩的拉伸强度弱化现象在热处理温度超过 450 ℃ 后更为明显；张平等 [14] 发现砂岩的
力学特性在 25～400 ℃ 范围内变化较小，但在 400～800 ℃ 范围内变化显著；Li 等 [15] 认为 400 ℃ 是促进
较小孔径比花岗岩样品中二次水平拉伸裂纹的重要温度，而 600 ℃ 是圆形花岗岩水平裂纹对称特性发
生显著变化的临界温度。因此不难发现，以温度阈值为临界点，岩石的力学特性及破坏特征发生显著影
响，获取准确的温度阈值对高温岩石工程的安全具有重要意义。
上述研究大多集中在室内试验，但面对深部高温工程中的复杂赋存环境模拟，室内试验存在耗时
长、耗材大、花费高、高温赋存环境难复现等的缺陷，因此利用数值模拟分析可以更为便利、高效地开展
相关研究。刘锦等 [16] 、李睿等 [17] 、Tian 等 [18] 利用 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件开展高温复杂赋存环境
下岩石动态特性研究，分别阐述了大理岩、煤岩、石灰岩的动态破坏特征和损伤演化过程。赖玉彰 [19] 基
于 PFC 离散元软件有效还原不同冲击速度下高温花岗岩的动态压缩实验。离散元法更适合处理岩石破
裂和细观尺度等非连续问题模拟，而有限元法则更适用于连续介质的热力耦合。面对大变形、高应变率
下冲击、爆炸等问题中，Holmquist-Johnson-Cook (HJC) 损伤本构综合考虑了压缩强度的压力相关性、应
变率效应和损伤积累。宋帅等 [20] 、程树范等 [21] 、夏文彬 [22] 分别验证了 HJC 本构模型在单向板爆炸试验、
低静水压力下红砂岩动态压缩试验以及热损伤花岗岩的动态试验中的适用性。可以看出，对于高温岩
石动态试验数值模拟多集中于室内试验验证及其力学特性变化分析，而利用数值模拟方法获取对应的
能量演化规律研究相对较少，从能量角度结合力学响应开展相关分析值得进一步深入探讨。
本文利用 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件对高温大理岩开展 6 级温度梯度、5 种冲击速度下的动态
压缩试验，研究高温大理岩在破坏过程中的力学特征及能量特征的温度效应，综合力学响应与能量耗散
规律分析大理岩高温劣化的温度阈值，并从能量耗散的角度探讨高温大理岩失效能量判据，为高温岩石
工程的安全运行提供理论指导。

1 数值模拟试验

1.1 高温大理岩 HJC 模型参数标定
Holmquist-Johnson-Cook (HJC) 损伤本构模型从压实压碎效应、损伤破坏效应、应变率效应多方面综
合考虑，应用于高应变率、强动载工况下岩石等材料的数值模拟试验，具备一定的准确性；同时，该模型

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