Page 117 - 《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

三维霍普金森杆装置由液压控制系统与分离式霍普金森杆动态冲击系统构成，如图 9 所示，入射杆
和反射杆的长度均为 2 000 mm。与传统三轴实验相比，三维霍普金森杆实验在 x（冲击方向）、y 和 z 等
3 个方向同时施加预应力，能够更真实地模拟岩石在复杂应力状态下的力学行为，研究岩石在资源开采
等高应变率环境下的损伤分布和裂纹扩展规律，更接近实际工程条件。为获得白砂岩在不同预应力下
的动力学特性，对其进行单轴、双轴和三轴 3 种不同预应力状态下不同围压的冲击实验。实验试件为
50 mm×50 mm×50 mm 的立方体白砂岩，冲击加载的气压为 0.3 MPa，冲击速度约为 10 m/s。

Bullet Incident bar Transmitted bar Absorbing bar

Strain gauge Strain gauge Absorption device

Confining pressure bar
Specimen

Uniaxial
Biaxial Triaxial
图 9 三维霍普金森杆装置示意图
Fig. 9 A three-dimensional Hopkinson rod apparatus schematic
白砂岩试件冲击损伤情况如图 10 所示，损伤主要为在冲击作用下白砂岩试件中裂纹的生成和扩
展、内部结构的破坏以及外部碎片的剥离。单轴状态下，当预应力为 5 和 10 MPa 时，白砂岩试件在冲击
作用下完全破碎，分别如图 10(a)～(b) 所示。预应力提高至 15 MPa 时，岩石未完全破碎，在 x 方向上由
于预应力的作用几乎没有损伤破碎现象发生，损伤会向无预应力施加的 y 方向和 z 方向拓展，损伤特征
为 V 形损伤，如图 10(c) 所示。预应力升至 20 MPa 时，白砂岩试件损伤破碎程度明显降低，在 x 方向上，
几乎无损伤破碎出现，y 方向上出现少量碎片剥离现象，而在 z 方向上同样出现 V 形损伤特征，如图 10(d)

σ x σ x
σ x

(a) (5 MPa, 0, 0) (b) (10 MPa, 0, 0) (c) (15 MPa, 0, 0) (d) (20 MPa, 0, 0)
σ y σ y

σ x
σ x σ x
σ x σ x
σ y
σ y

(e) (10 MPa, 5 MPa, 0) (f) (10 MPa, 10 MPa, 0) (g ) (15 MPa, 15 MPa, 0) (h) (20 MPa, 15 MPa, 0)

σ σ σ σ
123104-9
σ
σ σ σ
σ σ

σ σ