Page 110 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 汪 腾，等： 基于不同本构模型下的白砂岩动态力学性能仿真分析与实验验证 第 12 期

and the continuous surface cap model (CSCM), were validated by using experimental results from three-dimensional
Hopkinson bar experiments. The results indicate that the shear failure damage of white sandstone specimens decreases with the
increasing prestress, with triaxial stress conditions yielding significantly lower damage than uniaxial or biaxial conditions.
Among the three models, the RHT constitutive model demonstrates the closest agreement with the experimental results in
terms of stress waveforms, peak stress, peak strain, and damage degree. Compared with the experimental data, the RHT model
exhibits a stress peak deviation ratio of 3.5% and 13.6% for the reflected wave under uniaxial and biaxial conditions,
respectively, while the stress peak deviation ratio for the transmitted wave is the lowest. Additionally, the peak stress and strain
values predicted by the RHT model are numerically closer to the experimental results. The damage state predicted by the RHT
model also aligns well with the experimental observations: under uniaxial loading, the damage exhibits a U-shaped pattern,
whereas the HJC model showed a larger V-shaped damage pattern and fracture, and the CSCM model displayed surface
damage with a smaller affected area. In terms of energy absorption and dissipation, the simulation results based on the three
constitutive models shows minimal differences. The incident, reflected, and transmitted energy values are nearly identical
across all three models. In addition, the damage degree of the white sandstone specimens increases with the impact velocity.
The damage simulation results of the three constitutive models also show an increasing trend with the impact velocity, while
retaining the damage characteristics.
Keywords: deep rock; constitutive model of rocks; dynamic mechanical properties; dynamics simulation; three-dimensional
Hopkinson bar experiment

深部资源开采与利用过程中的共性科学基础是深部岩石力学理论，准确掌握深部岩石动态力学性
能，不仅有助于深入理解地球内部的地质演化过程，还可为深部矿产、能源的有效开采提供关键信息。
深部岩石力学理论的研究方法主要包括实验、理论分析以及数值仿真。相对于实验研究和理论分析，数
值仿真因其具有通用性强、可重复和易于发现实验中难以观测的重要信息等优点，是探究岩石在不同预
应力状态下动态力学性能的关键方法。白砂岩是一种典型的沉积岩，广泛分布于深部岩体中，其动力学
响应和损伤演化特征能够很好地代表深部岩石的力学行为。白砂岩在高应变率、多向加载条件下的力
学特性对揭示深部岩石的动态响应规律具有重要参考价值。尤其在资源开采过程中，深部岩石通常承
受复杂的应力状态，通过研究白砂岩的动态力学性能，不仅可以探讨深部岩石在高围压条件下的损伤机
理，还能为深部资源开采和巷道支护设计提供理论依据和技术支持。对深部岩石在强动载作用下动态
冲击性能数值仿真的核心在于岩石动态本构模型，其直接决定能否准确表述不同预应力状态下岩石的
动态力学性能。因此，开展不同本构模型下的深部岩石动态力学特征研究对掌握深部岩石力学理论和
解决工程问题以及设计施工方案具有重要的实际意义。
岩石的动态本构模型在数值模拟中是研究围岩或工程材料抗冲击破坏能力的重要内容。目前，在
开展岩石工程强冲击载荷的数值计算中，多采用 Riedel-Hiermaier-Thoma（RHT）、Holmquist-Johnson-
[1]
Cook（HJC）、连续面帽盖模型（continuous surface cap model，CSCM）本构模型。RHT 本构模型 是一种连
续损伤本构模型，能较好地描述岩石材料在高应变率和大变形下的力学特性；HJC 本构模型 [2] 是一种基
于大应变、高应变率、高压力的岩石计算基本模型，该模型以材料压缩损伤演化为主，较好地考虑了压
缩强度的压力相关性、应变率效应和损伤软化效应；CSCM 本构模型被广泛应用于有限元分析，能够有
效地模拟低围压下混凝土的力学性能，比如损伤演化、剪切膨胀、剪切压实、约束效应以及应变率效应
等。Li 等 将理论分析与数值模拟相结合，利用校准的 RHT 本构模型模拟岩体爆破行为，最终发现地应
[3]
力可以提高爆破载荷引起的压应力，降低拉应力。破碎区的面积随着地应力的提高而减小。在各向异
性压力条件下，破碎区呈椭圆形。随着水平和垂直方向应力差的增大，破碎区长轴和短轴之间的间隙变
大。Wang 等 [4] 研究分析了 RHT 本构模型和 HJC 本构模型在花岗岩爆炸诱发裂纹数值模拟中的性能，
并通过耦合附加的失效准则对 HJC 本构模型进行了改进，发现 RHT 本构模型和改进的 HJC 本构模型均
能描述单次爆破问题中破碎带的形成和拉伸裂纹的扩展。对于循环爆破问题，改进的 HJC 本构模型并

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