裂隙巖石試樣動力學研究進展

趙家琛，帥科偉,陳海亮，姚 遠

(1.成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106;2.中國長江三峽集團有限公司流域樞紐運行管理中心,湖北 宜昌 443133)

0 前 言

近年來，我國國民經濟穩定增長，對發展空間以及資源需求不斷增加。為優化水資源配置，促進區域協調發展，國家實施了南水北調工程；為提高西部地區經濟和社會發展水平，鞏固國防，國家實施了西部大開發戰略；為推進構建人類命運共同體，促進世界互聯互通，國家發起了“一帶一路”倡議。因此，我國巖石工程數量與規模均屬世界前列。大規模的資源開發和工程建設，將要面臨大量的科學技術難題，對巖石工程研究提出了更高的要求。巖石力學作為巖土工程中巖石破碎條件和巖體安全性評估的重要依據，是巖土工程中的重點研究對象。

巖石靜力學和巖石動力學雖然都是以固體力學為基礎，但在荷載形式上具有明顯區別。巖石動力學領域通常認為在應變率超過1×10-3時將產生振動。在隧道工程中的圍巖破碎、爆破開挖，軌道交通對基礎的振動，礦山開采中沖擊地壓以及地震、滑坡等自然災害都涉及巖石動力學問題。所以，對巖石動力學的研究是必要的。

經過長時間的地質演化，裂隙在自然巖體中普遍存在，其構型、傾角、貫通程度等對巖石的變形、力學性質以及能量耗散等會產生較大影響，是巖石動力學研究中不可忽視的重要因素。在巖石動力學的研究中，沖擊荷載作為巖石承受的典型荷載，其中應變率對巖體動力學特性的影響不可忽略，由于巖體結構的各向異性和大量節理的存在，巖體的破壞模式主要由節理控制。因此，應變率和節理等是巖石動力學重點研究對象。

近10年來，國內外學者利用MTS試驗機[1]和SHPB[2](霍普金森桿)等試驗裝置針對裂隙巖體動力學進行大量研究，并取得了豐碩成果，但大部分成果以單獨文獻形式呈現，無法系統反映該領域的研究進展。因此，本文主要從預制單裂隙和多裂隙兩個方面系統性總結分析已有的研究成果。

1 單一裂隙

巖石受到沖擊荷載時，裂隙構型對巖石力學特性有很大影響。單一裂隙作為研究裂隙巖體動力學特性的基本構型，國內外學者均對其有深入研究，通過試驗研究和數值模擬等方法主要研究單一裂隙的貫通程度、傾角、裂隙寬度等對巖體動力學特性和破壞模式等的影響。王浩宇等[3]運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，對單裂隙巖石的動態破壞進行數值模擬，結果表明，巖石力學中的Griffith準則、Hoek-brown準則和mohr-coulomb準則等不適用于預制單一裂隙巖石的沖擊試驗，而Fairhurst準則具有較好的適用性。鄧正定等[4]運用模型元件模擬非貫通裂隙巖體的動態破壞過程，研究表明應變率對巖石強度和彈性模量等有較大影響，即應變率效應，并且應變率效應對巖體具有明顯的硬化效應。同樣，王煜等[5]發現加載速率對預制裂隙試樣的峰值應力有強化效應，并且在相同加載速率下，試樣的峰值應力隨裂隙傾角的增加呈三次方趨勢增長。Li等[6]基于高速相機和SHPB試驗系統對預制單裂隙試樣進行沖擊試驗，觀察到6種裂紋類型，將預制裂隙試樣分為4個主要階段：白色斑紋、初始剪切裂紋、次生拉伸和剪切裂紋和宏觀裂紋合并直到最終破壞。Zou等[7]對比動荷載和準靜荷載下預制單裂隙試樣的裂紋類型和破壞形式，基于Wong等[8]提出的裂紋類型總結7種裂紋類型，在準靜態荷載下，試樣的破壞主要呈對角破壞模式，而“X”形破壞在動荷載試樣中占主導地位。試樣受載裂紋的起裂和發展過程可以看作是能量耗散的演化過程，劉華博等[9]研究預制單裂隙試樣在沖擊荷載下能量演化的應變率效應，結果表明應變率在10-3/s、5×10-4/s時，峰值應力，彈性模量等參數明顯增大；應力應變曲線與能量演化曲線具有高度相關性，能夠解釋應力應變曲線預測裂紋起裂應力原理。

2 多裂隙

經過復雜的地質演化，巖體中自然形成的裂隙往往不是單獨存在的，而是成群出現，并且可能相互交錯相互影響，所以研究預制多裂隙巖石試樣能夠更加接近實際工程情況，為評價工程提供更準確的依據。國內外學者對于預制多裂隙類型主要研究包括平行裂隙。對于平行裂隙的研究主要集中在平行裂隙傾角和數量對試樣的動力學特性。王奇智等[10]針對含不同傾角平行雙節理類巖石材料進行動態壓縮，結果表明在0°～90°，隨著裂隙傾角的增大，試樣的強度呈先增大后減少，最后再增大的規律，其峰值強度出現在裂隙傾角為30°時，最小值現在裂隙傾角為75°時。張海波等[11]用霍普金森壓縮桿對不同數量的平行貫通裂隙進行壓縮試驗，在巖石加載過程中，應變率對巖石的彈性模量幾乎無影響，但峰值應力隨著裂隙率的減少而降低。對非平行裂隙的相關研究相對較少，Feng等[12]通過數值分析方法，基于拉伸裂紋、剪切裂紋和拉剪混合型裂紋總結了8種類型的巖橋貫通類型。

此外，一些學者研究預制交叉裂隙巖石試樣的力學特性和破壞模式。Zhang等[13]主要研究預制雙交叉裂隙對巖石試樣強度和裂紋貫通模式的影響，試樣強度與兩組交叉裂隙相對位置有關，含有兩個共線交叉裂隙試樣強度最高，同時裂隙相對位置不同，巖橋貫通類型也不相同，具有兩個對齊和階梯狀交叉裂隙試樣巖橋合并呈拉伸裂紋，而具有兩個共線交叉裂隙試樣巖橋合并則呈剪切裂紋。Feng等[14]對預制交叉裂隙試樣進行沖擊試驗，結果表明動態荷載下所有裂隙試樣均呈現出類似“X”形剪切破壞模式，試樣碎片尺寸分布與GEV分布有更好的擬合性，在較高應變率下，位置參數和比例參數相對較低，這表明高應變率下試樣碎片平均尺寸更小，破碎程度更高。

3 結 論

目前針對裂隙巖石動力學試驗研究進行大量研究，揭示了裂隙構型和應變率對巖體動力學特性、能量耗散以及破壞模式的影響規律。這些研究成果對于巖石工程的動態擾動問題具有深遠的實際意義，同時也加深了對裂隙巖體動力學的認識和理解。本研究針對裂隙巖體動力學研究情況，分為單一裂隙和多裂隙兩個方面對已有研究成果進行系統性總結。

1)預制單一裂隙巖石試樣存在明顯的應變率效應，并且應變率效應對巖體具有硬化效應；試樣的峰值應力隨單一裂隙傾角的增加而增大，在最終破壞時主要呈現出“X”形剪切破壞模式。

2)對預制多裂隙試樣、裂隙數量、構型對試驗結果有較大影響，試樣的強度隨裂隙數量的增加而減小；在非平行裂隙巖石試樣中，隨著裂隙傾角的變化，共出現8種巖橋類型。

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