Page 65 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 周永旺，等： 基于动静态力学试验下的红砂岩Holmquist-Johnson-Cook本构与数值模拟研究 第 8 期

表 1 红砂岩静力学参数
Table 1 Static mechanical parameters of red sandstone

−3
密度ρ/(g·cm ) 单轴抗压强度f c /MPa 抗拉强度T/MPa 弹性模量E/GPa 泊松比v
2.40 119.5 4.74 33.7 0.25
2.3.2 三轴围压试验结果与分析
∅ 50 mm×100 mm 的圆柱试件，选定 10、20、30 和 40 MPa 等 4 种不同的围压分别
三轴围压试验使用
进行 2 次压缩试验，编号命名为围压-试验次数。为了消除在不同围压之下静水压力不同的影响，绘制了
不同围压下偏应力与轴向和环向应变的关系曲线，其中轴向应变为正值，径向应变以负值的形式显示。
如图 9 所示，在不同的围压下，红砂岩的偏应力-应变响应存在一定的差异，初始时具有相似的初始曲率，
但随着围压的增大，曲线的线性段和峰值点的范围逐渐增大。如图 10 所示，从偏应力-应变关系曲线
可以观察到，同其他岩石材料相似，红砂岩在压缩过程中经历 4 个典型阶段：压实（Ⅰ）、弹性变形（Ⅱ）、
屈服（Ⅲ）和失效（Ⅳ）。压实阶段发生在受压缩初始时，试件在压缩应力下内部孔隙急剧闭合，应力-应
变曲线呈现上凹状态，出现非线性的变形。在弹性变形阶段，试件内部孔隙在围压和轴压的双重作用下
达到上限，应力-应变曲线呈现线性状态，此阶段为岩石进行能量吸收的主要阶段，并储存大量弹性能。
在屈服阶段，应力-应变曲线呈现上凸状态，试件产生不可逆塑性变形和微裂纹的扩张，并伴随软化效
应。随着塑性变形的增大，弹性能不断释放，微裂纹扩张成主裂纹，红砂岩断裂失效，断裂失效过程十分
短暂 [24-25] 。

300
10 MPa-1 10 MPa-2
300 20 MPa-1 20 MPa-2
30 MPa-1 30 MPa-2 250
40 MPa-1
40- MPa2
Deviatoric stress/MPa 200 Deviatoric stress/MPa 150 Ⅲ Ⅳ
250
200
150
100
100
50 50 Ⅱ
Radial Axial Ⅰ
0
−0.010 −0.005 0 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025
Strain Strain

图 9 红砂岩偏应力-应变曲线 图 10 红砂岩在压缩中的 4 个典型阶段
Fig. 9 Deviatoric stress-strain curves of red sandstone Fig. 10 Four typical stages of red sandstone
during compression

表 2 三轴围压试验结果
表 2 为三轴围压试验结果，围压的大小对红
Table 2 Results of the triaxial compression tests
砂岩试件的强度有较大的影响。围压的增大会
围压σ 3 / 偏应力(σ 1 −σ 3 )/ 平均偏应力/ 平均主应力/
导致红砂岩压缩强度的增大。将围压从 0 MPa 编号
MPa MPa MPa MPa
（单轴压缩试验：σ =σ =0 MPa）增加到 40 MPa， 10-1 10 168.4
3
2
红砂岩压缩强度从 119.5 MPa 增大至 298.4 MPa， 10-2 10 163.6 166.0 176.0
在围压为 10、20、30 和 40 MPa 下的增幅分别为 20-1 20 206.4
194.0 214.0
47.3%、79.1%、115.2%、159.7%。同混凝土相似， 20-2 20 181.5
红砂岩内部同样存在许多孔隙，受到外界压力 30-1 30 230.0
227.2 257.2
时，内部会产生微裂纹，从而导致破裂，而在围压 30-2 30 224.3
环境下，这些裂纹的扩展方向和程度受到限制， 40-1 40 253.6
258.4 298.4
使得裂纹难以快速贯通，从而延缓了砂岩的破坏 40-2 40 263.2

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