Page 158 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 高 矗，等： 剪切增强和应变率效应对混凝土类材料状态方程的影响 第 2 期

比。可以看出：相同体积应变 μ 时，FPI 实验得到的轴向应力高于 HC 实验得到的静水压力（σ ＞p）。这
x
是由于 FPI 实验中水泥砂浆在动态一维应变条件下受剪切增强效应和应变率效应的影响，使得轴向应力

与静水压力之间存在明显差异。另外，2 类实验所达到的压力（应力）在体积应变为 0～0.18 的范围内能
直接相互对比，且能覆盖爆炸冲击荷载作用下混凝土类材料所经历的宽广压力范围（0～18.6 GPa），可为
定量分析剪切增强效应和应变率效应对状态方程的影响提供基础数据和可靠依据。
1.3 误差分析
由表 1 可知，HC 实验和 FPI 实验的水泥砂浆配合比和基本力学性能相近，但考虑到 2 类实验采用
的水泥砂浆试件非同一批次且来源不同，因此有必要对其可能带来的不确定性及潜在误差进行分析。

首先，对比分析 2 种水泥砂浆的静态压缩性
4.0
能。本文利用真三轴电液伺服装置对开展 FPI
3.6
实验 [2] 时预留的水泥砂浆试件（50 mm×50 mm× 3.2
50 mm 立方体试件）进行静水压缩实验。对试件 2.8
以 5 kN/s 的速度加载，过程中保持 3 个加载方向 σ/f c 2.4
上的荷载一致，至静水压力峰值 350 MPa（装置 2.0 44.8 MPa, Wang, et al [31]
45 MPa, Kohees, et al [32]
最大稳定加压值）后卸载。图 2 给出了该静水 1.6 38 MPa, Feng, et al [33]
压缩实验（蓝色实线）与 Yankelevsky 等 [30] 静水 1.2 a 1 =0.375 4, a 2 =0.215 5/f c
压缩实验的加载/卸载曲线对比。可以看出：2 种 0.8
0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6
水 泥 砂 浆 的 力 学 性 能 在 静 水 压 缩 实 验 所 能 达 p/f c
到的压力范围内（p≤350 MPa）十分接近。另外，
图 8 根据三轴压缩实验数据标定的水泥砂浆强度面参数
图 8 给出了本文收集的 3 种配合比和抗压强度 Fig. 8 Failure surface parameters for cement mortar calibrated by
均相似的水泥砂浆三轴压缩实验数据 [31-33] 的对 triaxial compression experimental data
比，其中 f 、σ 和 p 分别为单轴抗压强度、等效剪
c
切强度和压力 p（详见 2.1.1 节）。由图 8 可以看出，3 种水泥砂浆在围压条件下的力学性能也很接近。这
从侧面进一步说明，配合比和抗压强度相似的水泥砂浆，其静态压缩性能可视为基本相同。
其次，对于动态压缩性能，Gebbeken 等 [17, 34] 和 Riedel 等 [11, 35] 认为混凝土类材料在动高压下的体积压
缩特性与其基体抵抗压缩的能力密切相关。鉴于表 1 所列的 2 种水泥砂浆的配合比和抗压强度相近，因
此在平板撞击这种典型的动高压条件下，其动态压缩性能也可视为基本相同。
基于上述分析，可认为利用表 1 中所列的非同一批次且来源不同，但配合比和基本力学性能相近的
2 种水泥砂浆，对后续利用数值模拟定量分析剪切增强效应和应变率效应对混凝土类材料状态方程的影
响，所带来的潜在误差在可接受范围内。因此，采用 Yankelevsky 等 [30] 开展的 HC 实验数据（静水压力可
达 0.73 GPa），以确保与 Wang 等 [2] 开展的 FPI 实验数据在较大范围内能直接相互比较，从而便于定量分
析剪切增强效应和应变率效应对混凝土类材料状态方程的影响。

2 数值模型及验证

利用 Kong-Fang 流体弹塑性模型和 LS-DYNA 中的 SPG 算法，对水泥砂浆 HC 实验 [30] 和 FPI 实验 [2]
进行数值模拟。首先对水泥砂浆的 Kong-Fang 模型材料参数进行详细标定，然后建立数值模型，最后将
数值预测结果与实验结果进行对比，验证数值模型的可靠性和精度。
2.1 水泥砂浆材料模型及参数标定
水泥砂浆采用 Kong-Fang 流体弹塑性模型，其材料参数可分为 4 类，即强度面参数、应变率效应参
数、损伤参数和状态方程参数 [4, 13] 。基于大量水泥砂浆静、动态力学性能实验数据，对 4 类材料模型参数
进行详细标定。

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