Page 78 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 −3 张 旭，等： 高温大理岩的动态能量耗散机理及破坏特征 −3 第 6 期
−3
℃ ℃ ℃

0.4 0.6 160 2.5
200 250
0.5 120 2.0
0.3
Stress/MPa 100 First turning 0.2 K Stress/MPa 150 0.3 K Stress/MPa 80 First turning 1.5 K
200
150
0.4
1.0
100
50 point 0.1 50 First turning 0.2 40 point 0.5
point
0.1
0 0 0
0 4 8 12 16 0 5 10 15 20 0 4 8 12 16 20
Stain/10 −3 Stain/10 −3 Stain/10 −3
(d) 400 ℃ (e) 600 ℃ (f) 800 ℃
图 13 典型高温大理岩应力-弹性能耗比 (K)-应变关系曲线（v=14.5 m/s）
Fig. 13 Relationship curves between stress, elastic energy ratio (K) and strain for a typical
high-temperature marble (v=14.5 m/s)
进入峰后阶段，耗散能增长迅速，弹性应变能迅速降低，大量能量被释放，能耗比增长速率出现的首次拐
点，大理岩失稳破坏。
对比不同温度梯度下大理岩弹性能耗比首次拐点的位置发现，首次拐点对应的应力与峰值应力比
值随温度升高逐渐变小，表明高温降低了大理岩弹性储能能力，加快裂纹扩展速度，从而提前激活耗散
能，使得大理岩在高温作用下损伤破坏提前、强度失效加速。这与上述强度、能量等指标的变化情况存
在一致性，表明在不同温度下大理岩均具有失稳代表性。弹性能耗比本质为通过能量转化幅值突然变
大捕捉岩样强度失效点，因此将弹性能耗比增长速率首次出现的拐点作为大理岩的强度失效判据。

5 结 论

本文利用 ANSYS/LS-DYNA 模拟分析高温大理岩 6 级温度梯度、5 种冲击速度下的动态压缩试验，
揭示了大理岩在不同温度下破坏过程中力学特征及能量特性，从能量耗散的角度探讨脆延转化温度阈
值与能量失效判据。主要结论如下：
(1) 结合应力均匀性假设、能量合理范围以及应力应变曲线三方面的验证，表明 HJC 本构模型能够
合理有效模拟不同温度下大理岩动态变化破坏过程；
(2) 随着温度的增加，大理岩动态峰值强度和动弹性模量呈非线性函数减小，动态峰值应变呈非线
性函数增大，破坏形态由“X 型”共轭剪切破坏向粉碎性破坏转变，破碎细粒尺寸减小；
(3) 温度的升高在一定程度上降低了大理岩试样的储能能力，而高温对大理岩能量耗散能力的影响
则以 600 ℃ 为分界点，由促进作用转变为抑制作用；综合应力-应变曲线、动态峰值强度、破碎情况、应
变能变化情况，当温度到达 600 ℃ 时，峰值强度大幅降低，大理岩损伤增加，呈现粉碎性破坏，耗散应变
能达到最大值，600 ℃ 可作为大理岩损伤劣化的阈值温度；
(4) 应变能在弹性阶段表现为能量积聚，进入塑性阶段，积聚的弹性应变能释放表现为裂纹扩展，在
达到峰值应力储存在岩石内部的弹性应变能主要以动能、表面能及辐射能等耗散应变能的形式在一瞬
间进行释放，使得岩样整体失稳，因此将耗散应变能陡增点视为大理岩整体失稳破坏前兆信息点；大理
岩弹性能耗比近似呈幂函数增长，温度越高，岩样弹性能耗比随之变大，可以通过能量转化幅值突然变
大捕捉岩样强度失效点，将弹性能耗比增长速率首次出现拐点作为大理岩的强度失效判据。

参考文献：
[1] ROCCHI V, SAMMONDS P R, KILBURN C R J. Fracturing of Etnean and Vesuvian rocks at high temperatures and low
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00342-1.
[2] PARK J W, LEE Y K, PARK C, et al. Crack initiation and propagation thresholds of Hwangdeung granite under elevated
temperature [J]. Geosciences Journal, 2022, 26(6): 715–729. DOI: 10.1007/s12303-022-0015-0.

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