《ACS Omega》：Thermomechanical Behavior and Mesoscale Simulation of Conglomerate under Impact Loading for Geothermal Engineering
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本文系统研究了砾岩在25-300°C高温与动态冲击耦合作用下的力学响应规律。通过Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)实验结合细观数值模拟，揭示了温度对动态抗压强度、能量耗散特性及破碎分形维数的调控机制，为干热岩( HDR )地热工程中砾岩层稳定性评估与破岩参数优化提供了理论依据。
引言
随着岩体工程规模的扩大和复杂性的增加，岩石力学研究面临新的挑战。地热能作为可再生清洁能源，其90%资源为干热岩( HDR )。中国HDR资源分布广但埋深大、温度高、岩性复杂，开采难度大。高温对岩石物理力学性质影响显著，现有研究多聚焦砂岩、花岗岩等常规岩石的静态力学特性，而对砾岩在冲击荷载下的热力耦合行为研究尚属空白。本文通过SHPB实验与数值模拟相结合，系统研究砾岩在高温动态荷载下的力学响应与破碎特征。
实验概述
试样制备
研究采用新疆准噶尔盆地砾岩岩芯，静态试验试样尺寸为?25 mm × 50 mm，动态试验为?50 mm × 50 mm。采用TAW-2000三轴试验系统测定基本力学参数，密度为2310 kg/m–3，泊松比0.29，弹性模量21.76 GPa，静态抗压强度112.99 MPa。
SHPB试验装置
采用?50 mm大直径SHPB系统，入射杆、透射杆、吸收杆和撞击杆均为40Cr合金钢，弹性模量206 GPa，密度7810 kg/m3，纵波波速5100 m/s。采用纺锤形撞击器产生半正弦应力波，实现恒应变率加载。高温系统采用ZONE-DE型霍普金森杆炉，最高加热温度1000°C，升温速率10°C/min。
实验方法
基于应力波理论和一维弹性波假设，采用"三波法"计算试样动态力学参数。为消除大直径SHPB的弥散效应，采用黄铜脉冲整形器获得准正弦加载波。通过调整发射装置气压控制撞击速度，确保应力平衡。实验设置25°C、100°C、150°C、200°C、250°C、300°C六个温度水平和0.12-0.23 MPa六个冲击气压，每组变量重复3次。
实验结果与讨论
温度对动态力学参数的影响
应力-应变曲线显示典型弹性变形、塑性变形和峰后软化阶段。温度对岩石强度具有显著弱化作用：25-150°C时峰值应力较高，岩石结构相对完整；200-250°C时峰值应力明显下降，矿物界面微裂纹扩展；300°C时峰值应力最低，结构劣化严重。应变率则呈现强化效应，相同温度下较高应变率对应较高峰值应力，表现为典型的应变率硬化行为。砾岩的动态响应受热软化和应变率硬化的耦合作用控制。
温度对能量耗散特性的影响
能量分析表明，冲击气压增加使砾岩动态强度逐渐提高，低温时呈近似线性增长，高温时强化效应减弱。温度呈现双重影响：25-150°C时脆性显著，微裂纹易启裂扩展；200-300°C时胶结材料热分解导致塑性增强，能量耗散增加。高温高压耦合下曲线出现"平台段"，显示压力有益效应被热弱化抵消。低温高压条件下砾岩发生高效脆性破碎，高温低压时动态响应显著减弱。
数值模拟与讨论
砾岩SHPB模型建立
基于Fuller级配曲线确定砾石粒径分布，采用Fortran脚本随机布置砾石，满足无重叠且不穿越边界条件。建立的三维映射网格模型包含433,956个六面体单元和449,396个节点，显著节约计算资源。采用"隐式-显式顺序求解"方法模拟实时温度下的冲击破坏。
砾岩HJC模型参数确定
Holmquist-Johnson-Cook( HJC )模型包含强度模型、损伤模型和状态方程三部分。通过试验与反演分析结合确定模型参数，强度模型表示为σ* = [A(1-D)+BPN][1+Cln(ε?)]，损伤模型为D = ∑(ΔεP+ΔμP)/(εPf+μPf)，状态方程分段描述弹性、压实过渡和完全压实阶段。最终获得基质和砾石在不同温度下的HJC参数。
数值模拟结果与损伤演化
模拟与实验应力-应变曲线基本吻合，验证了HJC模型的有效性。动态强度提高因子( DIF )分析显示，随着温度升高，DIF逐渐降低，模拟与实验趋势一致。应力云图显示，破坏始于砾石-基质界面应力集中，随后裂纹扩展汇聚形成轴向主破裂带。温度升高使界面损伤加剧，基质破碎更充分，破坏模式由局部损伤向"整体粉碎"转变。分形碎片分析表明，温度越高小尺寸碎片比例越大，破碎程度加剧。
结论
研究表明，温度对砾岩动态力学性能具有显著弱化作用，25-150°C时热损伤有限，200°C以上界面微裂纹扩展导致承载力明显下降。能量演化机制在150°C左右存在临界转变点，从"塑性耗散"向"脆性反射"转换。基于Fuller级配和HJC模型的细观数值模拟成功再现了动态响应过程，揭示出温度是控制冲击破坏程度的关键因素。本研究为地热资源开发中砾岩层稳定性评估提供了重要理论支撑。
