Page 76 - 《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

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0.224、0.215、0.360 J/m ，是因为矿物间和矿物内部的黏聚力减弱，岩石破碎所需的能量相对较少。高温
会导致非常严重的内部损伤，当温度低于 600 ℃ 时，大理岩吸收的能量主要用于若干宏观裂纹的扩展和
贯通，相应地大理岩破碎块体较大。当温度达到 600 ℃ 后，大理岩吸收的能量更多地转化为试样内部裂
纹的表面能和岩石碎块的动能，岩石的破坏更明显，在 800 ℃ 时几乎碎成粉末状。

3.5 峰值应变能的温度效应
岩石峰值强度处存储和消耗的能量与岩石破坏程度紧密相关。图 11 综合反映温度与冲击速度对
峰值应变能的影响程度。可以看出，不同温度下大理岩试样的弹性能 U 、耗散能 U 和总应变能 U 均
d
t
to
e
随冲击速度的变化具有一致性，即随冲击速度增加大致呈增加趋势。同一冲击速度下，大理岩的 U 和
t
to
U 随着温度升高而逐渐减小，U 表现为随温度升高呈先增后减的趋势，表明温度的升高在一定程度上
d
e
降低了大理岩试样的储能能力，对大理岩试样的能量耗散能力的影响以 600 ℃ 为分界点，由促进作用转
变为抑制作用。当温度到达 600 ℃ 时，岩样内部萌生大量裂纹利于水分蒸发，且高温改变了矿物内部晶
粒的初始结构使得岩石在受到外荷载作用时，裂隙压密、矿物颗粒的错位运动产生的滑移以及塑性流
动、内部损伤等耗能行为更为突出，表现为 600 ℃ 时大理岩试样的 U 变化最明显。这从能量的角度解
d
释了 600 ℃ 之后大理岩试样抵抗外部荷载而发生变形破坏的能力显著减弱，这与大理岩试样的峰值抗
压强度变化趋势以及岩石破坏的剧烈程度十分吻合。

25 20 40
20 15 35
30
U e /kJ 15 U d /kJ 10 U tot /kJ 25
20
10
15
5 5 10
0 0 0 5 0
14.5 13.5 12.5 600 400 200 14.5 13.5 400 200 0 14.5 13.5 400 200 0
v 0 /ms 11.5 10.0 800 T/℃ 12.5 11.5 10.0 800 600 T/℃ 12.5 11.5 10.0 800 600
−1 v 0 /ms −1 v 0 /ms −1 T/℃
(a) Elastic strain energy U e (b) Dissipative strain energy U d (c) Total strain energy U tot
图 11 高温大理岩的应变能变化趋势
Fig. 11 Trends in strain energy of high-temperature marbles

4 基于能量耗散的岩石失效判据分析

4.1 应变能演化过程
ANSYS/LS-DYNA 数值分析中大理岩应变能以内能的形式输出，其中岩样内能是单元受到荷载后
发生变形但未破坏时产生的能量，侵蚀内能则是单元受到荷载发生破坏而消失所产生的能量，故将岩样
内能作为弹性应变能，侵蚀内能作为耗散应变能。
应变能变化规律与轴向应力应变关系曲线变化趋势密切相关，不同冲击速度下大理岩破坏的应变
能变化情况呈类似规律，考虑到冲击速度越大，大理岩受动载影响破坏更为剧烈，峰值强度更高，故选用
14.5 m/s 时不同温度梯度下的大理岩试验为例，如图 12 所示。在弹性阶段，总输入应变能主要转化为可
释放弹性应变能，表现为能量积聚。进入塑性阶段，积聚的弹性应变能突然释放，表现为出现裂隙扩展
破坏。最后，在达到峰值应力后弹性应变能呈明显下降趋势，反之耗散能急剧升高，动能出现小幅度增
长，即储存在大理岩内部的弹性应变能以动能、辐射能、热能及耗散应变能等形式快速释放，使得大理
岩整体失稳。故此，可推断当大理岩整体失稳时耗散应变能出现明显的台阶状上升。
应变能变化规律也存在明显的温度效应，100 ℃ 之后随着温度的升高，峰值强度逐渐变小，弹性应
变能所占份额逐渐减小，反之耗散应变能所占份额逐渐增加。在 600 ℃ 时峰值强度下降明显，与之对应
的弹性应变能大幅下降，耗散应变能上升比例大幅增加，且在温度高于 600℃ 时，随着应力-应变曲线出
现明显的右下偏移，大理岩破坏时耗散更多能量，塑性应变能峰后升高稳定值大于弹性应变能峰后跌落

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