Page 166 - 《爆炸与冲击》2026年第2期
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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

                   对于单独量化剪切增强效应对混凝土类材                             1.6    p, HC experiment data [30]
               料状态方程的影响，最直接且可靠的方式是通过                              1.4    σ x , FPI experiment data [2]
                                                                         Numerical prediction of UX experiment
                                                                       Stress enhancement caused by
               在准静态单轴受限压缩实验中布设特殊测量装                               1.2  coupling effect of shear-enhanced
                                                                        compaction and strain rate
               置来实现    [30, 45] 。遗憾的是，由于无法获取与表          1         1.0  Nominal stress enhancement
               中水泥砂浆配合比和力学性能参数相近的水泥                              p, σ x /GPa  0.8  caused by strain-rate effect
               砂浆准静态单轴受限压缩实验数据，使得本文无                              0.6
               法直接通过实验数据对比来量化剪切增强效应                               0.4                  Stress enhancement
                                                                  0.2                caused by shear-enhanced
               对混凝土类材料状态方程的影响。在                   2.4  节中                             compaction effect only
               已  充  分  验  证  ， 在  对  各  类  材  料  参  数  详  细  标  定  （ 见  0  0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18
                                                                                     μ
               2.1  节）的基础上，利用      Kong-Fang  模型和  SPG  算
               法可准确表征水泥砂浆包括剪切增强效应在内                                 图 19    剪切增强效应和应变率效应的对比
               的复杂力学行为。因此，特建立准静态一维应变                           Fig. 19    Comparison between shear-enhanced compaction
                                                                          effect and strain-rate effect
               压缩（quasi-static uniaxial strain compression, UX）
               数值模型，从而模拟准静态单轴受限压缩实验，然后通过对比                           1.1  节中  HC  实验数据，从而单独量化剪切
               增强效应的影响。
                   UX  实  验  数  值  模  型  是  在  图  10(a)HC  实  验  数  值  模  型  的  基  础  上  ， 在  水  泥  砂  浆  试  件  侧  面  和  底  面  增  加
               2 mm  厚钢箍，钢箍采用刚体材料模型以约束试件径向变形，钢箍和试件之间采用自动面-面接触算法，然
               后在试件自由面（顶面）以           10  s 的应变速率施加         26.8 mm  的位移（体积应变为        0.18）。需要强调的是，
                                        −4
                                           −1
               UX  实验数值模拟时采用表          3  中  EoS-HC（HC  实验数据标定的      EoS  参数）作为状态方程的输入，以避免引
               入赘余的剪切增强和应变率耦合效应，从而只量化剪切增强效应的影响。由图                                    19  中水泥砂浆     HC  实验
               测得的压力-体积应变关系（p-μ            关系）与   UX  实验数值模拟得到的轴向应力-体积应变关系（σ -μ                  x  关系）的
               对比可以看出：剪切增强效应对状态方程行为的影响随体积应变的增大而逐渐增大，在                                        HC  实验达到最
               大  体  积  应  变  0.18  时  ， 由  剪  切  增  强  效  应  引  起  的  轴  向  应  力  增  强  （ 0.95 GPa） 可  达  静  水  压  力  （ 0.73 GPa） 的
               1.3  倍。该值明显小于由剪切增强和应变率耦合效应引起的应力增强（可达静水压力的                                     2.1  倍），由此可
               初步推断在剪切增强和应变率耦合效应中应变率效应的贡献高于剪切增强效应。
                   然而，如图     19  所示，由剪切增强和应变率耦合效应引起的应力增强（图                        19  中红色双箭头虚线）减去
               单独由剪切增强引起的应力增强（图                19  中蓝色双箭头虚线），并非完全是单独由应变率效应引起的应力
               增强（为表述方便，在本文中称作单独由应变率效应引起的名义应力增强，如图                                   19  中黑色双箭头虚线所
               示）。正如前文所述，由于混凝土类材料的等压屈服、剪胀和率敏感特性，混凝土类材料在准静态一维应
               变压缩（UX    实验）下的剪切增强效应并不等同于其在动态一维应变压缩（FPI 实验）下的剪切增强效应。
               对于材料在动态压缩条件下的剪切增强效应，部分学者提出一种测定材料在动态压缩条件下剪切增强
               效应的方法（简称       AC  法 [46-48] ），通过对预冲击材料进行再加载或卸载使其到达上、下屈服面，从而获得材
               料在预冲击状态下的剪切增强效应。然而，该方法目前仅应用于金属材料                                 [48] ，对于混凝土类材的适用性
               有待进一步验证。另外，直接单独量化应变率效应对混凝土类材料状态方程的影响也非常困难，这主要
               是由于平板撞击实验中剪切增强效应和应变率效应无法解耦，且目前仍缺乏稳定可靠的三向冲击实验
               设备  [14] 。
                   值得一提的是，Hao       等 [49]  和  Liu  等 [50]  基于数值模拟和迭代方法（简称数值迭代），通过反复对比数值
               模拟结果和实验数据对动态强度提高系数进行迭代修正，从而剔除了由惯性围压引起的伪应变率效应，
               实现对混凝土材料真实应变率效应的有效识别。因此，可借鉴利用数值迭代策略修正应变率效应的思
               路，结合本文建立且经验证的基于                Kong-Fang  模型和  SPG  算法的可描述混凝土类材料状态方程行为的
               高精度数值模型，预期可实现将平板撞击实验中的剪切增强和应变率耦合效应从真实静水压力中剥离
               （即剔除剪切增强效应和应变率效应的影响），从而建立爆炸冲击荷载作用下混凝土类材料高精度宽广
               压力范围状态方程。对于该问题，将撰文另述。



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