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矿井围岩、地下工程围岩以及地面工程的岩基等常处于复杂的水热场环境,且在工程整个建设、运营过程中必然会面临各种机械或爆破等冲击荷载作用,研究水热耦合下深部岩石的动态力学性能具有十分重要的意义。本文以淮南市谢桥矿-725 m处的泥质砂岩和朱集东矿-906 m处的细砂岩为研究对象,针对水热親合作用对岩石动态特性的影响,利用霍普金森(SHPB)压杆,设计水热耦合作用下砂岩的静、动态力学性能试验,并详细研究了岩石静、动态力学特征、各个阶段能量耗散特征、破坏形态以及微观特性等,根据研究结果建立水热耦合作用下基于岩石损伤演化的动态本构关系,试验结果与数值计算结果具有较好的一致性,主要内容和结论性成果如下:(1)系统地分析了不同温度处理后风干和饱和状态下砂岩的静、动态应力-应变曲线特征。结果表明,静态和动态应力-应变曲线基本可划分为四个阶段:压密、弹性、塑性变形和破坏阶段,但其动态应力-应变曲线压密阶段应力随应变增长速率较大,表现趋势有所不同。风干状态下静态峰值应力几乎达到饱和状态下静态峰值应力的两倍,饱水状态下动态峰值应力受到自由水的黏结力以及Stefan效应的影响,其动态峰值应力略大于风干状态下动态峰值应力。(2)H-C循环试验结果表明,低温(L-T)组和中温(M-T)组在20次循环后和高温(H-T)组在4次循环后动态峰值应力和相对弹性模量(Kr)值下降速率逐渐缓慢,相同次数下,H-T组比L-T组和M-T组下降程度大很多,说明H-T组砂岩损伤程度远大于其他两组试样。L-T组和M-T组的破碎质量分形维数与循环次数呈线性关系,而H-T组则呈指数上升,三组试样的平均破碎块度均随着循环次数的增加而减少,且呈现指数函数的形式。(3)在加载破坏的全过程中,压密阶段均符合U>Ue>Ud,此时总输入应变能转化为弹性能,少部分能量在塑性变形过程中被耗散掉;线弹性阶段能量特征指标同时存在,总输入应变能转化为弹性能和耗散能,同时能量开始耗散,在水热耦合损伤条件下,一小部分能量在屈服阶段转化为弹性能;破坏状态阶段,耗散能大于总输入应变能,弹性能接近于零,表明压密阶段储存的弹性能被释放。根据能量转化原理,利用总输入应变能下降规律定义H-C循环后砂岩的损伤。(4)XRD试验发现石英高温产生膨胀,改善砂岩内部结构;饱水状态下高岭石亲水性较强,水化膨胀导致矿物颗粒间胶结弱化,高岭石达到480℃～600℃时,转变为偏高岭石,达到750℃以后时,偏高岭石向A1-Si尖晶石转变,同时分解出无定形Si02;方解石超过800℃以后,分解产生石灰(CaO)。(5)在20°C(室温)下,砂岩内部致密,存在一些微小的连接裂缝。-20℃、-10℃和0℃时,晶体呈现玻璃片状,BSE图像可看出随着处理温度的不断下降,内部产生裂纹和孔洞会不断增多。在20℃～1 000℃温度范围内时,由碎屑结构的颗粒状晶体逐渐变大,初始裂纹明显增加,800℃以后,晶体逐渐出现撕裂脊成为断裂的主要形态,裂纹局部出现并逐渐扩展。(6)通过H-C循环后砂岩的微观试验结果发现,L-T组砂岩试样经历10次H-C循环后,矿物颗粒的冻结膨胀和热膨胀同时会引起初始微裂纹和孔隙扩展,经过40次H-C循环后,由于矿物颗粒之间热应力变形的不协调产生热应力集,反复的H-C循环,导致了沿矿物颗粒的边界发生疲劳断裂。对比室温、L-T组、M-T组和H-T组的EDS结果,发现H-T组12次H-C循环后,砂岩试样内部出现大量的裂隙和孔隙,由于黏土矿物存在,经过400℃温度处理后,会发生羟基失水,导致砂岩内部产生不可逆的损伤。(7)对水热耦合作用下岩石的损伤演化曲线和总损伤率曲线进行研究分析,并利用水热耦合作用下岩石的动态冲击实验数据,建立基于岩石损伤演化的动态本构模型。该模型较好地考虑了水热耦合损伤和冲击荷载共同作用下对岩石损伤动态力学行为的影响。理论和试验应力-应变曲线拟合效果较好,所建立的动力本构模型是可行的,并对试验和本构结果进行误差分析。图[73]表[11]参[253]