Page 106 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 王 磊，等： 冲击作用下红砂岩动态破坏的围压效应 第 7 期

reflectivity decrease, the transmission energy and transmittance increase. When the specimen is dynamically damaged, the
dissipation energy is regulated by strain rate and confining pressure. When the confining pressure is constant, the dissipation
energy and dissipation rate increase with the increase of strain rate. When the strain rate is constant, both the dissipation energy
and dissipation rate decrease with the increase of confining pressure.
Keywords: red sandstone; confining pressure; SHPB; destruction mode; energy dissipation

近年来，我国地下工程开发与建设不断向西部推进，而西部地层多为红砂岩 [1-4] ，在矿山开采、隧道
建设中常受到岩体赋存地质条件的影响，工程所在处地质环境日趋复杂 [5-8] 。在地下工程掘进过程中，围
岩承受爆破、地震等动载，致使红砂岩地层稳定性遭到破坏，在不同应力状态下，爆破开挖的冲击作用使
岩石裂隙不断发展，影响围岩动态强度，降低其自稳能力，严重威胁地下工程安全 [9-10] 。因此，研究不同
围压条件下冲击荷载对红砂岩动态力学行为及能量耗散机制的影响具有实际的工程意义。
近些年，学者们利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB） [11] 开展了一维动静组
合加载试验，模拟了在红砂岩地质条件下地下工程开挖爆破扰动引起的围岩响应。研究发现，红砂岩的
力学性质和破坏模式与其尺寸 [12-14] 、粗糙度 [15-16] 、含水率 [17] 、裂隙 [18-19] 等参数密切相关。红砂岩的动态
力学特性与破坏模式已通过理论分析、室内试验和数值模拟等方法进行广泛研究。在理论分析方面，于
洋等 [20] 基于朱-王-唐本构模型，引入了黏弹塑性动态本构方程，较好描述了红砂岩在受荷变形过程中的
损伤软化、黏弹性和黏塑性等特性，以及冻融损伤对红砂岩动态力学特性的影响。Li 等 [21] 提出了考虑
应变率和温度的动态损伤本构模型。樊赖宇等 [22] 引入长期强度与扰动能量的相关性、动态扰动单元和
扰动-损伤黏性元件，建立了黏塑性扰动损伤蠕变模型，该模型可以描述砂岩在静态恒载和动态扰动联合
作用下的瞬态变形和蠕变行为。在数值模拟方面，颗粒离散元法和连续-离散耦合法已被应用于模拟岩
体的 SHPB 试验 [23-25] 。在室内试验方面，汤俊等 [26] 预制了红砂岩和型煤的煤岩组合体，并采用 SHPB 进
行了试验，发现煤岩组合体试件的动态断裂韧度存在明显的应变率效应，随着冲击气压的增大，试件的
动态断裂韧度和裂纹扩展速度也增大，随着温度的降低，试件的动态断裂韧度先增大后减小。金解放等 [27]
研究了动荷载和含水率对岩体破坏和能耗特性的影响，发现同一冲击速度下，能量透射率和含水率具有
指数函数关系且负相关，能量耗散率随含水率的增大先增大后减小且具有二次函数关系，同一含水率
下，能量透射率和冲击速度负相关，能量耗散率和冲击速度正相关。张慧梅等 [28] 研究了红砂岩在受到不
同加载速率、不同次数扰动冲击的能量耗散与分形特征，发现低速率扰动冲击下试样的能量利用率更
高。贾蓬等 [29] 发现冻结红砂岩的峰值强度、耗散能、能量利用率随饱和度的增大均呈先减小后增大再
减小的三段式分布规律，且具有明显的应变率效应。上述研究成果为浅地表岩体工程的安全、高效爆破
开挖提供了重要理论支撑和实践指导。
随着深部工程的开发，围岩体处于三维地应力环境，围压决定其初始孔隙结构与静态损伤程度，又直
接影响波阻抗特性及动态力学响应行为。学者们研究了试件在围压条件下的动、静态力学性质，开展了
多种试验，包括三轴剪切试验、带围压装置的动态冲击试验。在三轴剪切试验方面，Du 等 [30] 和 Li 等 [31] 通过
声发射特性分析，发现砂岩常规三轴压缩破坏以剪切裂纹为主，围压越小剪切破坏越剧烈；同时，明确了
在常规三轴压缩与变角剪切试验中计算内聚力和内摩擦角的适宜数据集范围。吴琳等 [32] 和陈昊祥等 [33]
总结了砂土高应变率冲击试验和数值模拟的现状及存在的问题，通过板壳理论简化了 SHPB 被动围压试
验套筒并分析了其力学规律，同时指出了岩石动态破坏能量特征对深部岩体研究的重要性。马冬冬等 [34-36]
通过主动加压 SHPB 试验，揭示了不同围压下冻结黏土与砂土的破坏及变形特征差异，并据此改进了朱-
王-唐模型，建立了考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型，明确了模型参数与损伤规律。方士正等 [37]
和刘晓辉等 [38] 发现轴压和围压均对岩石动态强度产生了显著影响，轴压小于 8 MPa 时，岩石动态强度随
着轴压的提升先增大后减小，但岩石动态强度随着围压的增大持续增大；在轴压较低时，耗散能随着围
压的增大而减小，在轴压较高时，耗散能随围压的提升先增大后减小。上述研究主要分析了不同地应力
状态下岩石的动态力学行为及能量耗散机制，完善了岩石动力学理论体系。

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