岩石长期暴露在空气中,经过较高的昼夜温差作用和季节更替循环,内部结构会发生变化,产生冻融损伤。一般情况下岩石自身就存在静应力作用,在进行爆破、机械振动等作业施工时会使岩石同时受到冲击荷载的作用。本文以红砂岩为研究对象,探究冻融损伤岩石在受到静载与动载同时作用时的动态力学性质。利用能够施加轴压的霍普金森杆进行实验,结合HJC本构模型采用ANSYS/LS-DYNA软件进行相关数值模拟,研究冻融损伤后的红砂岩在动静组合作用下的力学性质,主要研究内容和结论如下:(1)冻融损伤试样静态力学性质分析。使用冻融箱对完整岩石进行冻融循环,通过常规物理试验、单轴压缩实验、劈裂实验测量岩石的物理性质以及拉伸、压缩强度等指标。发现随着冻融循环次数的增加,岩样表层出现剥落现象,质量逐渐减少,密度逐渐降低,抗拉、抗压强度逐渐下降。岩样经历10次冻融循环后,应力应变曲线压密阶段显著增大,冻融前试样为较硬岩,冻融10次之后变为软岩,在冻融10次至30次过程中,试样均为软岩。(2)冻融损伤岩体RMR质量评价。利用衰变函数模型分析红砂岩冻融完整性损失,计算得到红砂岩的衰变常数为0.043,结合单轴抗压强度实验结果计算得到半衰期为16次,可知本次采用的试样总体抵抗冻融风化能力较弱。将室内试验成果及冻融完整性损失结果综合应用到RMR岩体质量评价体系中,得到冻融损伤岩体质量修正公式,为冻融岩石室内试验成果的工程实际应用提供有效途径。前5次冻融红砂岩岩体质量由Ⅱ级好岩体变为Ⅲ级中等质量岩体,5次至50次冻融区间内RMR值逐渐降低并趋于平缓,但仍为Ⅲ级中等质量岩体。(3)冻融损伤岩石动静组合加载实验。利用直径为50 mm的能施加轴压的霍普金森压杆对不同冻融损伤程度的岩石试样施加特定轴压,然后进行冲击实验。本次主要考虑冻融损伤程度、轴压大小和冲击速度等三个变量对试样动态力学性质的影响,岩石动态力学性质的变化在三种因素的影响下表现出一定的规律性。但三个因素互相耦合,共同影响岩石动态力学性质,使冻融损伤岩石动静组合加载峰值强度、峰值应变、弹性模量等力学参数的变化具有复杂性。(4)霍普金森杆实验的数值模拟分析。利用目前广泛使用的LS-DYNA软件,结合HJC本构关系进行预加轴压的霍普金森杆冲击实验的数值模拟。依据HJC本构关系各参数的物理意义及相应实验结果,适当结合试算法,得到不同冻融损伤、不同静载、不同应变率的岩样HJC参数值。利用LS-DYNA有限元模型进行数值模拟,数值模拟结果与实验结果吻合较好。红砂岩动态强度敏感参数为A、B、f_c。综合冻融岩石动静组合加载实验及数值模拟结果发现:对于相同损伤变量的岩样,相同轴压不同发射气压作用时,岩样动态强度表现较强的应变率效应,强度随发射气压的增加而增强;相同动载不同轴压作用时,岩样的动态强度随轴压的增加而增加,当施加的轴压超过静载强度的60%,岩样的动态强度随静载的增加而减小。当岩石加载形式相同时,相比未冻融试样,冻融损伤试样动态强度、弹性模量均较小,峰值应变较大。