Page 107 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 许梦飞，等： 循环冲击下高温层理砂岩的动力学特性及损伤模型 第 3 期

随着我国基础建设的飞速发展，“三高一扰动”问题成为制约岩体工程安全生产的重要因素 。在
[1]
地热采集、深部矿源开采和隧道火灾等工程背景下面临的最高温度可达 1 000 ℃，在某些深部岩石工程
实践中甚至存在 1 200 ℃ 的高温 。这些高温环境会导致岩体内部各矿物组分不均匀膨胀或产生非均匀
[2]
温度场 ，进而发生热开裂。探究高温作用下岩体的物理力学特性对岩体工程稳定性评价和防灾减灾设
[3]
计具有重要意义 。
[4]
吴秋红等 [5] 对热-冷处理后的花岗岩动态拉伸强度及破坏变形特性展开了试验研究，明确了温度、
冷却方式对试样动态拉伸强度、起裂时间的影响规律。蒋浩鹏等 [6] 通过引入 Weibull 分布函数和热损
伤，建立了基于 M-C 准则岩石高温损伤本构模型。贾宝新等 [7] 基于有效应力理论，考虑残存强度影响，
[8]
对损伤修正，建立了高温岩石统计损伤本构模型。Rong 等 对 600 ℃ 的高温花岗岩进行循环试验，结果
表明 5 次热循环后花岗岩的力学性质变化趋于平稳。Kim 等 [9] 和 Zhang 等 [10] 对高温作用后岩体剪切特
性展开了试验研究。Ma 等 [11] 研究了不同高温对岩石Ⅱ型断裂韧性、裂纹扩展和断裂能的影响规律。
钻爆法因其施工机动性好、对不良地质适应性强和空间利用率高的特点，被广泛应用于岩体工程开
挖 [12] 。工程实践表明，爆破荷载会频繁冲击围岩，导致其承载力降低乃至失稳破坏。研究循环冲击下岩
体的累积损伤规律是亟待解决的科学问题。
詹金武等 [13] 对自然冷却和水冷却下高温花岗岩力学性质的变化规律开展了试验研究，建立了相应
的统计损伤本构模型。杨科等 [14] 基于 Drucker-Prager (D-P) 强度准则与改进的朱-王-唐（Zhu-Wang-Tang,
ZWT）模型，建立了岩石的动态本构模型。张蓉蓉等 [15] 研究了循环冲击下冻融红砂岩的变形特征和累积
损伤问题。赵洪宝等 [16] 开展了不同应变率下煤-岩复合岩体的动态冲击试验，并基于元件组合模型理论
建立了考虑应变率效应的动态损伤本构模型。王志亮等 [17] 对大理岩开展了单轴循环冲击试验，发现随
着循环次数的增加，试样峰值应力总体减小，峰值应力与平均应变率呈线性关系，耗散比能与平均应变
率呈线性正相关。Wang 等 [18] 利用核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）技术对三轴循环冲击下红
砂岩的孔隙特征变化规律展开了研究。Lu 等 [19] 利用数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术研
究了循环冲击下高温热处理砂岩应变场的变化规律，结果表明，在 600 ℃ 时砂岩拉应变发生突变。王伟等 [20]
研究了循环冲击作用下砂岩型铀矿裂缝及渗透率特征，结果表明，循环冲击使得试样产生累积损伤，力
学性能劣化，渗透率呈数量级提升。雷小磊等 [21] 对循环荷载作用下石灰岩力学性能及损伤演化机理开
展了研究，建立了基于 Weibull 分布的动载损伤演化模型。
综上可知，目前针对循环冲击下高温岩石力学特性的试验大多限于完整岩石，较少涉及层状岩体。
层状岩体在自然界分布广泛，我国西部大型水电边坡、隧道建设中工程稳定性控制岩层多为层状结构岩
体 [22] 。对此，本文以层理砂岩为研究对象，钻取 5 种不同层理角度（0°、15°、45°、60°和 90°）岩样，首先，
利用电子秤、声波探测仪和 X 射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪对不同温度下试样的质量损失率、波
速衰减率和矿物组分变化规律进行研究，明确不同温度下岩样的热损伤演化机制；然后，通过分离式霍
普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）试验系统对高温热处理后的试样展开循环冲击试验，分
析温度、层理角度和冲击次数对试样动态应力-应变曲线的影响规律；最后，基于 Weibull 分布和元件组
合模型理论建立高温层理岩石动态损伤本构模型，并与试验曲线作对比，验证其正确性，以期为深部高
温岩体工程稳定性评价和防灾减灾设计提供理论借鉴。

1 试件制备及试验方案

1.1 试件制备

本试验所用砂岩试样取自重庆某山区隧道，具有显著的层理特征。为研究层理效应，根据 GB/T
50266—2013《工程岩体试验方法标准》和国际岩石力学学会（ISRM）推荐方法，制备了均质砂岩和层理
角度分别为 0°、15°、45°、60°和 90°的层理砂岩试件。试件为直径约 50 mm、长径比等于 1 的圆柱。所有
试样均取自临近桩号，以保证试样的均质性。试件加工精度满足以下要求：(1) 试样两端面不平行度误差
不大于 0.05 mm；(2) 试样高度、直径的误差不大于 0.3 mm；(3) 端面与试样轴线的偏差不大于 0.25°。试

033102-2