裂隙岩石试样动力学研究进展

赵家琛，帅科伟,陈海亮，姚 远

(1.成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610106;2.中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心,湖北 宜昌 443133)

0 前 言

近年来，我国国民经济稳定增长，对发展空间以及资源需求不断增加。为优化水资源配置，促进区域协调发展，国家实施了南水北调工程；为提高西部地区经济和社会发展水平，巩固国防，国家实施了西部大开发战略；为推进构建人类命运共同体，促进世界互联互通，国家发起了“一带一路”倡议。因此，我国岩石工程数量与规模均属世界前列。大规模的资源开发和工程建设，将要面临大量的科学技术难题，对岩石工程研究提出了更高的要求。岩石力学作为岩土工程中岩石破碎条件和岩体安全性评估的重要依据，是岩土工程中的重点研究对象。

岩石静力学和岩石动力学虽然都是以固体力学为基础，但在荷载形式上具有明显区别。岩石动力学领域通常认为在应变率超过1×10-3时将产生振动。在隧道工程中的围岩破碎、爆破开挖，轨道交通对基础的振动，矿山开采中冲击地压以及地震、滑坡等自然灾害都涉及岩石动力学问题。所以，对岩石动力学的研究是必要的。

经过长时间的地质演化，裂隙在自然岩体中普遍存在，其构型、倾角、贯通程度等对岩石的变形、力学性质以及能量耗散等会产生较大影响，是岩石动力学研究中不可忽视的重要因素。在岩石动力学的研究中，冲击荷载作为岩石承受的典型荷载，其中应变率对岩体动力学特性的影响不可忽略，由于岩体结构的各向异性和大量节理的存在，岩体的破坏模式主要由节理控制。因此，应变率和节理等是岩石动力学重点研究对象。

近10年来，国内外学者利用MTS试验机[1]和SHPB[2](霍普金森杆)等试验装置针对裂隙岩体动力学进行大量研究，并取得了丰硕成果，但大部分成果以单独文献形式呈现，无法系统反映该领域的研究进展。因此，本文主要从预制单裂隙和多裂隙两个方面系统性总结分析已有的研究成果。

1 单一裂隙

岩石受到冲击荷载时，裂隙构型对岩石力学特性有很大影响。单一裂隙作为研究裂隙岩体动力学特性的基本构型，国内外学者均对其有深入研究，通过试验研究和数值模拟等方法主要研究单一裂隙的贯通程度、倾角、裂隙宽度等对岩体动力学特性和破坏模式等的影响。王浩宇等[3]运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，对单裂隙岩石的动态破坏进行数值模拟，结果表明，岩石力学中的Griffith准则、Hoek-brown准则和mohr-coulomb准则等不适用于预制单一裂隙岩石的冲击试验，而Fairhurst准则具有较好的适用性。邓正定等[4]运用模型元件模拟非贯通裂隙岩体的动态破坏过程，研究表明应变率对岩石强度和弹性模量等有较大影响，即应变率效应，并且应变率效应对岩体具有明显的硬化效应。同样，王煜等[5]发现加载速率对预制裂隙试样的峰值应力有强化效应，并且在相同加载速率下，试样的峰值应力随裂隙倾角的增加呈三次方趋势增长。Li等[6]基于高速相机和SHPB试验系统对预制单裂隙试样进行冲击试验，观察到6种裂纹类型，将预制裂隙试样分为4个主要阶段：白色斑纹、初始剪切裂纹、次生拉伸和剪切裂纹和宏观裂纹合并直到最终破坏。Zou等[7]对比动荷载和准静荷载下预制单裂隙试样的裂纹类型和破坏形式，基于Wong等[8]提出的裂纹类型总结7种裂纹类型，在准静态荷载下，试样的破坏主要呈对角破坏模式，而“X”形破坏在动荷载试样中占主导地位。试样受载裂纹的起裂和发展过程可以看作是能量耗散的演化过程，刘华博等[9]研究预制单裂隙试样在冲击荷载下能量演化的应变率效应，结果表明应变率在10-3/s、5×10-4/s时，峰值应力，弹性模量等参数明显增大；应力应变曲线与能量演化曲线具有高度相关性，能够解释应力应变曲线预测裂纹起裂应力原理。

2 多裂隙

经过复杂的地质演化，岩体中自然形成的裂隙往往不是单独存在的，而是成群出现，并且可能相互交错相互影响，所以研究预制多裂隙岩石试样能够更加接近实际工程情况，为评价工程提供更准确的依据。国内外学者对于预制多裂隙类型主要研究包括平行裂隙。对于平行裂隙的研究主要集中在平行裂隙倾角和数量对试样的动力学特性。王奇智等[10]针对含不同倾角平行双节理类岩石材料进行动态压缩，结果表明在0°～90°，随着裂隙倾角的增大，试样的强度呈先增大后减少，最后再增大的规律，其峰值强度出现在裂隙倾角为30°时，最小值现在裂隙倾角为75°时。张海波等[11]用霍普金森压缩杆对不同数量的平行贯通裂隙进行压缩试验，在岩石加载过程中，应变率对岩石的弹性模量几乎无影响，但峰值应力随着裂隙率的减少而降低。对非平行裂隙的相关研究相对较少，Feng等[12]通过数值分析方法，基于拉伸裂纹、剪切裂纹和拉剪混合型裂纹总结了8种类型的岩桥贯通类型。

此外，一些学者研究预制交叉裂隙岩石试样的力学特性和破坏模式。Zhang等[13]主要研究预制双交叉裂隙对岩石试样强度和裂纹贯通模式的影响，试样强度与两组交叉裂隙相对位置有关，含有两个共线交叉裂隙试样强度最高，同时裂隙相对位置不同，岩桥贯通类型也不相同，具有两个对齐和阶梯状交叉裂隙试样岩桥合并呈拉伸裂纹，而具有两个共线交叉裂隙试样岩桥合并则呈剪切裂纹。Feng等[14]对预制交叉裂隙试样进行冲击试验，结果表明动态荷载下所有裂隙试样均呈现出类似“X”形剪切破坏模式，试样碎片尺寸分布与GEV分布有更好的拟合性，在较高应变率下，位置参数和比例参数相对较低，这表明高应变率下试样碎片平均尺寸更小，破碎程度更高。

3 结 论

目前针对裂隙岩石动力学试验研究进行大量研究，揭示了裂隙构型和应变率对岩体动力学特性、能量耗散以及破坏模式的影响规律。这些研究成果对于岩石工程的动态扰动问题具有深远的实际意义，同时也加深了对裂隙岩体动力学的认识和理解。本研究针对裂隙岩体动力学研究情况，分为单一裂隙和多裂隙两个方面对已有研究成果进行系统性总结。

1)预制单一裂隙岩石试样存在明显的应变率效应，并且应变率效应对岩体具有硬化效应；试样的峰值应力随单一裂隙倾角的增加而增大，在最终破坏时主要呈现出“X”形剪切破坏模式。

2)对预制多裂隙试样、裂隙数量、构型对试验结果有较大影响，试样的强度随裂隙数量的增加而减小；在非平行裂隙岩石试样中，随着裂隙倾角的变化，共出现8种岩桥类型。

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