Page 111 - 《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

不适用。Li 等 [5] 通过理论计算、实验模拟和数值模拟等手段对花岗岩 RHT 本构模型基本参数进行了标
定，基于标定的 RHT 本构模型对初始应力下的隧道轮廓爆破进行了三维数值模拟，最终发现平滑爆破在

裂缝控制方面是深岩隧道轮廓开挖的更好解决方案。Liu 等 [6] 针对 HJC 本构模型无法模拟拉伸损伤裂
纹的问题，提出了一种改进的 HJC 本构模型，利用该模型较好地模拟了岩石和混凝土等地质材料的峰前
和 峰 后 非 线 性 力 学 行 为 。 宋 彦 臣 等 [7] 对 CSCM 本 构 模 型 的 各 项 参 数 进 行 了 标 定 ， 根 据 冲 击 作 用 下
RC（reinforced concrete）构件的弯曲及剪切损伤破坏行为对参数取值的可靠性进行了验证，结果表明其标
定后的参数可以很好地描述冲击作用下钢筋混凝土构件在不同受力状态下的损伤演化过程。Yin 等 [8]
对超高韧性水泥基复合材料的 CSCM 本构模型参数进行了标定，标定的参数可以描述该材料的力学行
为，包括偏离响应、体积响应、拉伸应变硬化行为、应变率效应以及高应变率下拉伸应变硬化行为，其标
定的 CSCM 本构模型能够准确预测复合材料的冲击响应。Deng 等 [9] 在数值模拟中对常用的 PK（plastic
kinematic）、HJC、CSCM 和 RHT 本构模型进行了分析，并成功地用 RHT 本构模型准确表征了岩石材料
在动载荷下的力学行为，揭示了双隧道试件的破坏特性和应力波传播规律。然而，考虑到在资源开采过
程中，岩石会承受单轴、双轴和三轴 3 种典型载荷状态以及静水压状态，经典岩石动态本构关系是否能
够支持资源开采工程中的岩石性能仿真需求还有待研究，验证不同本构模型在岩石动态冲击数值仿真
中的适用性对进一步完善和快速实现资源开采与巷道安全分析尤其重要。
为此，本文中基于常用 3 种典型岩石动态本构模型开展不同预应力下岩石动态力学性能研究，介绍
这 3 种本构模型的计算公式以及参数标定方法。基于实验结果，着重探讨不同预应力状态下岩石的应
力-应变关系、能量耗散以及损伤程度，并分析 3 种本构模型的特点以及适应程度，以期为岩石工程的数
值仿真提供技术参考。

1 本构模型参数的标定

试件材料为白砂岩，无明显层理结构，颜色为灰白色，坚固性系数 f 为 3～5，密度 ρ 0 为 2 400 kg/m ，抗
3
f c 为 39.67 MPa，抗拉强度 为 4.5 MPa，弹性模量 为 ν 为 0.3，剪切模量 为
压强度 T E 7 GPa，泊松比 G
2.69 GPa，体积模量 K 为 5.83 GPa。
1.1 RHT 本构模型
RHT 本构模型是一种专门用于混凝土和岩石等脆性材料的高级损伤模型。该模型中引入了弹性极
限面、失效面和残余强度面，分别用于描述材料的初始屈服强度、失效强度以及残余强度的变化 [10] ，如
图 1 所示，图中 p 为压力，σ 为等效应力。RHT 本构模型描述的材料在压缩过程中压力 p 随孔隙率 α 的
变化如图 2 所示 [10] α e 为弹性极限孔隙率。
，
p compact 为完全压实压力，
p e 为弹性极限压力，
α 0 为初始孔隙率，

p
σ
p compact
Failure surface
Plastic stage
Elastic stage
Yield surface

Residual surface p e
O p O 1 α e α 0 α

图 1 RHT 本构模型的极限面 [10] 图 2 RHT 本构模型描述的材料压缩过程 [10]
Fig. 1 Limit surfaces of the RHT constitutive model [10] Fig. 2 Compression process of materials described
by the RHT constitutive model [10]

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