深部热损伤岩体冲击拉伸多尺度破裂机理（地质学）

《深部热损伤岩体冲击拉伸多尺度破裂机理》

作者：刘石，翟越，蒿少旭，贾宇

定价：188.00元

出版时间：2026-09

ISBN：978-7-5240-0670-1

内容简介

全书共7章，系统阐述了研究背景、意义及国内外在岩石尺寸效应、高温后力学特性、细观机制与本构模型等方面的研究现状，明确了研究内容与方法路线；聚焦于不同长径比红砂岩的拉伸力学特性，通过开展分离式霍普金森杆直接拉伸与分离式霍普金森压杆间接拉伸对比试验，系统研究了长径比对岩石破裂特征、力学性能及应力平衡的影响规律；针对高温作用后的红砂岩，设计并实施了冲击直接拉伸试验，揭示了高温对动态应力-应变曲线、动态抗拉强度、弹性模量及峰值应变等关键力学参数的影响规律，并建立了相应的预测模型；深入至细观尺度，利用扫描电镜（SEM）与三维形貌重构等技术，系统观测并定量分析了高温后红砂岩冲击拉伸断面的整体形貌、细观表观特征、裂缝量化指标及分形特征，揭示了其细观破裂机制；在前述宏细观试验基础上，建立了考虑高温预处理与动态拉伸载荷耦合作用的细观分形损伤本构模型，并通过试验数据验证了模型的合理性，进而分析了损伤演化特性；从能量学的角度出发，研究了冲击拉伸下热损伤红砂岩的能量吸收、耗散与释放规律，建立了能量耗散演化模型，并提出了基于弹性能演化的脆性评价指标与能量自控模型；开展数值模拟研究，基于PFC-FDEM耦合计算方法，再现了高温诱导裂纹网络的生成过程，模拟了岩石在动态拉伸下的力学响应与裂纹扩展，从数值层面验证并深化了对热-力耦合损伤机理的理解。

目录

1绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2国内外研究现状5

1.2.1岩石力学性能尺寸效应研究现状5

1.2.2岩石空心动态拉伸技术研究现状7

1.2.3岩石动态拉伸力学特性研究现状9

1.2.4岩石细观破裂机制研究现状11

1.2.5岩石晶格尺度拉伸力学行为模拟研究现状14

1.2.6岩石动态损伤本构模型研究现状16

1.2.7岩石有限元�怖肷⒃�数值模拟研究现状18

1.2.8总结18

1.3研究内容20

1.4研究方法及技术路线22

参考文献25

2不同长径比红砂岩拉伸力学特性42

2.1概述42

2.2岩石动态拉伸力学特性测试方法简介42

2.2.1荷载加载方式42

2.2.2直接拉伸试件加载方式43

2.3SHTB岩石直接拉伸试验44

2.3.1试验设备44

2.3.2试件加装46

2.3.3试验原理49

2.3.4波形采集49

2.4SHPB岩石间接拉伸试验52

2.4.1试验设备52

2.4.2试验原理53

2.4.3波形采集54

2.5直接拉伸下红砂岩长径比效应试验及结果57

2.5.1试件制备57

2.5.2试验方案58

2.5.3直接拉伸破裂特征长径比效应59

2.5.4直接拉伸力学性能长径比效应60

2.5.5直接拉伸应力平衡长径比效应61

2.6间接拉伸下红砂岩长径比效应试验及结果64

2.6.1试件制备与试验方案64

2.6.2间接拉伸破裂特征长径比效应65

2.6.3间接拉伸力学性能长径比效应66

2.6.4间接拉伸应力平衡长径比效应67

2.7本章小结69

参考文献70

3基于SHHTB的岩石圆环试件冲击拉伸试验与数值计算分析71

3.1概述71

3.2空心圆环试件动态拉伸试验方法72

3.2.1分离式霍普金森空心拉杆（SHHTB）试验系统72

3.2.2空心圆环红砂岩试件（HRRSS）制备74

3.2.3试验方案与加载条件76

3.3空心圆环试件动态拉伸力学响应特性80

3.3.1应力�灿Ρ淝�线特征分析80

3.3.2受载全程五阶段划分与特征描述81

3.3.3动态拉伸强度应变率效应82

3.4刚度与能量演化规律分析83

3.4.1初始弹性模量与弹塑性模量定义及演化规律83

3.4.2理想弹性能量与理想弹性系数分析85

3.4.3能量耗损比演化规律88

3.5空心圆环试件动态拉伸破坏数值模拟90

3.5.1数值模型构建90

3.5.2损伤演化过程模拟91

3.5.3低应变率与高应变率破坏模式对比94

3.6空心圆环与实心圆柱试件动态拉伸特性对比分析98

3.7本章小结99

参考文献100

4高温后红砂岩冲击直接拉伸力学特性101

4.1概述101

4.2高温后红砂岩冲击直接拉伸试验方案101

4.2.1高温加热试验101

4.2.2高温后试件表观色度分析103

4.2.3冲击直接拉伸试验104

4.3高温后红砂岩冲击拉伸波形及应力�灿Ρ淝�线特征105

4.3.1高温后红砂岩拉伸应力波形及应变率特征105

4.3.2高温后红砂岩冲击直接拉伸应力�灿Ρ淝�线特征106

4.4高温后红砂岩直接拉伸动态力学参数变化规律109

4.4.1动态抗拉强度109

4.4.2弹性模量112

4.4.3峰值应变115

4.5高温后红砂岩动态拉伸力学特性参数的预测模型119

4.5.1预测模型构建119

4.5.2预测模型计算120

4.6本章小结122

参考文献124

5高温后红砂岩冲击直接拉伸细观破裂机制125

5.1概述125

5.2高温后红砂岩细观拉伸破裂特征观测试验方法125

5.2.1扫描电镜简介125

5.2.2扫描电镜试验方案126

5.3断面整体破裂形貌特征129

5.3.1断面三维结构特征重构方法129

5.3.2断面整体破裂形貌特征分析130

5.3.3断面高程及坡度角变化特征134

5.4断面细观破裂表观特征139

5.4.1细观结构演变特征139

5.4.2细观形貌演变特征141

5.5断面细观破裂量化特征143

5.5.1断面细观裂缝识别143

5.5.2断面细观量化特征分析149

5.6断面细观破裂分形特征152

5.6.1断面细观分形维数计算方法152

5.6.2断面细观分形特征分析157

5.7本章小结158

参考文献159

6红砂岩动态抗拉强度非单调温度响应晶格尺度机理研究160

6.1概述160

6.2试验方案与分子动力学模拟方法160

6.2.1试件制备与热处理160

6.2.2实时高温XRD表征162

6.2.3冲击直接拉伸试验方法164

6.2.4红砂岩主要矿物晶体结构模型构建166

6.2.5势函数选择与参数标定167

6.2.6模拟方案与边界条件设置167

6.3动态抗拉强度非单调温度响应实验特征169

6.4中低温区间（300～600 ℃）强化效应晶格尺度机理170

6.4.1亚稳态缺陷热激活与晶格畸变演化170

6.4.2黏土矿物初步脱羟与层间静电作用增强173

6.4.3α�彩�英热膨胀内应力释放机制175

6.4.4纳米级微裂纹热愈合过程模拟177

6.5高温区间（>700 ℃）劣化效应晶格尺度机理177

6.5.1α�拨率�英相变及体积突变效应177

6.5.2黏土矿物深度脱羟与层状结构崩解178

6.5.3晶界弱化与晶间微裂纹扩展180

6.6强化�擦踊�转变温度的微观控制因素182

6.6.1多矿物相竞争与协同关系分析182

6.6.2转变温度预测模型构建185

6.7微观�埠旯劭绯叨裙亓�分析188

6.8本章小结191

参考文献192

7冲击拉伸下高温后红砂岩细观分形损伤本构模型194

7.1概述194

7.2本构模型建立194

7.2.1受荷岩石内部损伤演化方程的建立194

7.2.2考虑高温与拉伸载荷耦合的岩石总损伤演化方程的建立195

7.2.3细观分形损伤本构模型的建立196

7.3本构模型验证197

7.4基于损伤演化方程的高温后岩石冲击拉伸损伤演化特性分析200

7.5本章小结201

参考文献201

8冲击拉伸下热损伤红砂岩力学特性及能量演化机制研究203

8.1概述203

8.2试验方法203

8.2.1实验设备203

8.2.2试件概况204

8.2.3直接拉伸实验原理205

8.2.4直接拉伸试验流程及关键技术206

8.3试验结果分析213

8.3.1有效性验证213

8.3.2应力�灿Ρ淝�线分析213

8.4能量分析217

8.4.1考虑塑性功的能量耗散规律计算法则217

8.4.2能量耗散过程分析219

8.5热损伤红砂岩能量耗散演化模型226

8.5.1能量密度随应变率变化规律226

8.5.2基于弹性能演化全过程的岩石脆性评价指标227

8.6TII能量自控模型228

8.7本章小结236

参考文献237

9高温岩石裂纹网络演化与动态响应的跨平台模拟238

9.1概述238

9.2理论基础238

9.2.1基于PFC的热�擦�耦合与微裂纹形成机制238

9.2.2基于FDEM的内聚力单元断裂力学理论241

9.2.3SHTB动态加载的波动力学理论245

9.3PFC��FDEM数值模拟246

9.3.1基于PFC的高温热诱导裂纹网络生成246

9.3.2微观裂纹信息到宏观FDEM模型的映射与转换248

9.4模拟结果分析262

9.4.1PFC模拟结果262

9.4.2裂纹优化算法271

9.4.3有限元模拟结果275

9.4.4热�擦�耦合损伤关联性分析282

9.5基于Von��Mises应力场的裂纹长度优化算法分析283

9.6本章小结288

参考文献289

结论291