沖擊荷載作用下非貫通節(jié)理巖體細(xì)觀破壞模式研究*

董 平，劉婷婷，李新平，丁鹿陽(yáng)，王 剛

( 武漢理工大學(xué) a.土木工程與建筑學(xué)院； b.道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.三亞科教創(chuàng)新園，武漢 430070)

節(jié)理作為一種重要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，將極大影響巖體強(qiáng)度，并且使巖體表現(xiàn)出明顯的不均勻性、 各向異性及不連續(xù)性等特征。在外部荷載作用下，諸如工程爆破、盾構(gòu)施工以及地震等動(dòng)力作用時(shí)，將涉及節(jié)理巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布、應(yīng)力波透反射及應(yīng)變率效應(yīng)等諸多問(wèn)題，因此節(jié)理巖體特性研究具有重要的理論研究意義及工程應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)節(jié)理巖體動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題展開(kāi)了相應(yīng)研究，如Wu等基于SHPB試驗(yàn)，研究了動(dòng)載作用下節(jié)理巖體與應(yīng)力波的相互作用，分析了節(jié)理巖體的破壞模式并得到了透射系數(shù)的衰減規(guī)律[1,2]。馬芹永等探討了軟弱貫通節(jié)理砂巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨節(jié)理傾角的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)，同時(shí)，節(jié)理試件塑性特征降低，脆性特征增強(qiáng)[3]。薄英鋆等研究了高地應(yīng)力下節(jié)理巖體的破壞模式及動(dòng)力響應(yīng)特征，表明相比準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算，動(dòng)力計(jì)算模式下巖體破壞范圍和程度均顯著增大，節(jié)理面兩側(cè)巖體破壞程度差異顯著[4]。趙怡晴等采用顆粒流軟件研究了加卸載條件下非貫通節(jié)理巖體的破壞特性，表明三軸壓縮模擬中，巖橋的破壞以剪切裂紋為主；非線(xiàn)性加載卸圍壓模擬中，巖橋中拉伸裂紋與剪切裂紋分布均勻；卸荷過(guò)程中，節(jié)理面的剪應(yīng)力最小[5]。張雨霏等采用改進(jìn)的SHPB研究了粗糙節(jié)理巖體的動(dòng)態(tài)損傷特征，發(fā)現(xiàn)節(jié)理面的損傷削弱了應(yīng)力波的透射能力，沖擊荷載作用下節(jié)理巖體的損傷主要表現(xiàn)在節(jié)理面損傷[6]。Huang等研究了充填厚度對(duì)透射系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)充填厚度越大，透射系數(shù)則越小，同時(shí)拉伸應(yīng)力波不能通過(guò)充填節(jié)理，反而會(huì)將充填節(jié)理層撕裂，從而削弱了應(yīng)力波在充填節(jié)理中的多重反射[7]。Dai等對(duì)含有初始缺陷的巴西圓盤(pán)進(jìn)行SHPB試驗(yàn)，得到了加載率與I型斷裂韌度間的關(guān)系[8,9]。Li等通過(guò)離散元軟件UDEC研究了波在多節(jié)理巖體中傳播的規(guī)律，認(rèn)為波傳播取決于巖石節(jié)理的力學(xué)特性和幾何分布特征[10]。王奇智等對(duì)平行雙節(jié)理試件進(jìn)行霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨著節(jié)理傾角從0°至90°變化，試件的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)[11]。Zou等通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)了巖石試件在動(dòng)荷載作用下，裂紋起裂及擴(kuò)展規(guī)律，通過(guò)比較節(jié)理裂隙的擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)荷載作用下巖石試件的強(qiáng)度和應(yīng)變都比在靜荷載作用下大[12,13]。

相關(guān)成果對(duì)節(jié)理巖體力學(xué)特性認(rèn)識(shí)及巖體工程發(fā)展具有重要意義，但總體而言，節(jié)理巖體動(dòng)力響應(yīng)研究相對(duì)較少，同時(shí)，節(jié)理巖體破壞實(shí)際是能量驅(qū)動(dòng)下細(xì)觀構(gòu)造劣化的過(guò)程[14,15]，而目前研究中對(duì)細(xì)觀響應(yīng)的分析較為少見(jiàn)，因此，采用離散元軟件PFC2D建立非貫通節(jié)理巖體的SHPB沖擊數(shù)值仿真模型，從應(yīng)力波傳播特性、能量轉(zhuǎn)化、細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化特征等多個(gè)角度對(duì)不同節(jié)理角度、貫通率等工況進(jìn)行數(shù)值仿真研究。

1 基于PFC顆粒流的非貫通節(jié)理巖體的動(dòng)態(tài)細(xì)觀特性數(shù)值模型及驗(yàn)證

1.1 數(shù)值模型及參數(shù)標(biāo)定

本次模型的壓桿在滿(mǎn)足應(yīng)力波測(cè)量的基礎(chǔ)上，將入射桿、透射桿長(zhǎng)設(shè)為2.0 m，直徑設(shè)為0.05 m，試件尺寸設(shè)計(jì)為50 mm×50 mm(寬×高)，為改善應(yīng)力波傳播能力，降低試樣端部的彌散效應(yīng)，將入射桿、透射桿顆粒設(shè)置為規(guī)則排列顆粒，數(shù)值模型如圖1所示。

圖 1 SHPB數(shù)值模型Fig. 1 SHPB numerical model

顆粒流模型采用線(xiàn)性平行接觸模型(Linearpbond)[16]，通過(guò)離散裂隙網(wǎng)格(DFN)圖像反應(yīng)巖石裂紋演化特征，當(dāng)顆粒(組)實(shí)體與周邊粘結(jié)破壞，出現(xiàn)分割裂紋后產(chǎn)生碎塊(Fragment)，即表征巖石破壞產(chǎn)生的碎塊(碎屑)，從而較好反應(yīng)了巖石類(lèi)材料的損傷破壞特征。試件中預(yù)制的節(jié)理采用光滑節(jié)理模型(Smooth-joint)[17]，類(lèi)似形成一系列均勻分布在圓柱截面上的彈簧，很好模擬了一定張開(kāi)度的節(jié)理特性。

為達(dá)到模擬初始靜載圍壓效果，采用循環(huán)語(yǔ)句生成規(guī)則排布的pebble集合體，形成側(cè)向clump加載板，通過(guò)clump側(cè)向板及沖擊壓桿端部直接施加指定力的方式施加初始圍壓(地應(yīng)力)，進(jìn)一步通過(guò)在入射桿端部施加正弦應(yīng)力波的方式完成深部節(jié)理巖體沖擊仿真過(guò)程。試驗(yàn)中，分別于入射桿和透射桿布置測(cè)量圓，用以監(jiān)測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)。

采用RTX-100巖石三軸儀進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)并對(duì)巖石顆粒流模型進(jìn)行校驗(yàn)、修正，采用“試湊法”不斷調(diào)整模型細(xì)觀力學(xué)參數(shù)[18]，最終獲取花崗巖細(xì)觀參數(shù)(如表1、表2)。圖2為室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)及相應(yīng)顆粒流數(shù)值模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，兩者較為契合，同時(shí)數(shù)值試驗(yàn)中試樣的破壞形態(tài)圖與花崗巖試樣破壞形態(tài)相似，宏觀力學(xué)參數(shù)接近，從而驗(yàn)證了所創(chuàng)建顆粒流模型的可靠性。

表 1 花崗巖模擬試件細(xì)觀參數(shù)Table 1 Mesoscopic parameters of granite simulated specimens

表 2 宏觀力學(xué)參數(shù)Table 2 Macroscopic mechanical parameters

圖 2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig. 2 Stress-strain curve comparison graphic

1.2 節(jié)理模型及參數(shù)

試驗(yàn)?zāi)M地下100 m應(yīng)力狀態(tài)，考慮自重作用，設(shè)置初始圍壓為2.60 MPa，此時(shí)假定側(cè)壓力系數(shù)為1。利用Smooth joint接觸模型改變預(yù)置節(jié)理處顆粒的粘結(jié)方式。為全面了解非貫通節(jié)理巖體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，結(jié)合模型尺寸設(shè)計(jì)了系列Ⅰ(節(jié)理長(zhǎng)度因素)：節(jié)理傾角為45°，長(zhǎng)度分別為15、20、25、30、35 mm五種不同長(zhǎng)度節(jié)理試件；系列Ⅱ(節(jié)理傾角因素)：節(jié)理長(zhǎng)度為25 mm，15°、30°、45°、60°與75°五種不同傾角節(jié)理試件(見(jiàn)表3)。

表 3 節(jié)理試件模擬方案設(shè)計(jì)Table 3 Simulation scheme design of jointed rock mass

備注：定義水平面為施加沖擊荷載方向，節(jié)理傾角為節(jié)理面與豎直面夾角。

2 非貫通節(jié)理巖體的動(dòng)態(tài)變形特性與細(xì)觀破壞模式分析

2.1 節(jié)理角度對(duì)變形特性和破壞模式的影響

圖3給出了5種不同節(jié)理傾角的節(jié)理巖體動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。從圖上看出全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)總體可分為彈性階段、屈服階段和峰后破壞階段。在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變基本成線(xiàn)性關(guān)系，服從胡克定律，表現(xiàn)為彈性特征；在屈服階段，試樣內(nèi)部損傷加劇，巖石試件局部發(fā)生屈服破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)偏離直線(xiàn)，表現(xiàn)出塑性發(fā)展特征；在破壞階段，試件內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到其極限承載能力，試件失穩(wěn)破壞。

圖 3 不同節(jié)理傾角試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig. 3 Stress-strain curve of specimens with different joint dip angles

節(jié)理試樣動(dòng)彈性模量隨著傾角增加呈增大趨勢(shì)，依次為4.4 GPa、8.1 GPa、9.5 GPa、17.6 GPa、27.4 GPa，且動(dòng)彈性模量差別明顯，最大動(dòng)彈性模量與最小動(dòng)彈性模量之間相差可達(dá)5倍。其中，對(duì)于15°、30°、45°、60°傾角節(jié)理試件，當(dāng)加載臨近峰值強(qiáng)度約80%后，試件進(jìn)入屈服階段，表現(xiàn)出一定塑性特征；試件進(jìn)入峰后階段后，變形隨著應(yīng)力降低而增長(zhǎng)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈“開(kāi)口型”特征。對(duì)于75°節(jié)理試件，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抵抗彈性變形能力，其峰后出現(xiàn)明顯的回彈現(xiàn)象，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)呈“閉口型”，即表明巖石試件仍保持較好的完整性，承載力較大。

不同傾角節(jié)理試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度如圖4所示，當(dāng)節(jié)理傾角由15°增加到75°，節(jié)理試件的強(qiáng)度分別為36.5、29.3、47.1、74.2、126.9 MPa，呈近似“V”字型先減小后增大的變化特征。通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)可知，動(dòng)態(tài)荷載作用下，15°節(jié)理試件的抗壓強(qiáng)度迅速下降，但由于試件在節(jié)理的軸向范圍內(nèi)，最大程度的保留了完整性，因此，隨著應(yīng)變的增加，試件能承受更高的軸向應(yīng)力，并且該殘余強(qiáng)度高于30°節(jié)理試件，因而出現(xiàn)曲線(xiàn)“異常”。隨著節(jié)理傾角增加，節(jié)理對(duì)巖石強(qiáng)度弱化能力逐漸降低，試件壓縮強(qiáng)度趨于增大，當(dāng)節(jié)理傾角為75°時(shí)，其強(qiáng)度可達(dá)126.9 MPa，約為完整試件強(qiáng)度的93.2%。

圖 4 峰值應(yīng)力與傾角關(guān)系Fig. 4 Peak stress with different joint dip angles

圖5為不同傾角預(yù)制節(jié)理巖體受到?jīng)_擊荷載作用的破壞過(guò)程。當(dāng)節(jié)理傾角小于等于60°時(shí)，預(yù)制裂紋明顯影響巖石裂紋分布及破壞形態(tài)。在360 μs時(shí)，節(jié)理尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中，并超過(guò)臨界應(yīng)力，造成尖端萌生一定數(shù)量裂紋，此時(shí)裂紋類(lèi)型主要為翼裂紋，與最大主應(yīng)力呈一定角度。當(dāng)380 μs時(shí)，沖擊荷載增大，反翼裂紋與遠(yuǎn)場(chǎng)共面裂紋幾乎同時(shí)出現(xiàn)并不斷凝聚、擴(kuò)展，形成局部宏觀裂紋，此時(shí)裂紋向最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)延伸。當(dāng)約430 μs時(shí)，荷載臨近峰值應(yīng)力，試件內(nèi)部裂紋迅速凝聚、擴(kuò)展，并與預(yù)制節(jié)理相貫通，發(fā)生失穩(wěn)破壞。對(duì)于75°節(jié)理試件，預(yù)制節(jié)理對(duì)裂紋擴(kuò)展影響相對(duì)較小，在加載初期，試樣內(nèi)部不同部位的微缺陷隨機(jī)被激活并發(fā)展，隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加，裂紋出現(xiàn)自相似擴(kuò)展，且更多的微裂紋被不斷激活，出現(xiàn)宏觀的裂紋交叉并產(chǎn)生局部碎塊、碎屑。由于荷載并未超過(guò)試件承載極限，所以裂紋未得以進(jìn)一步發(fā)展，試件仍保持一定完好性。試件最終破壞形態(tài)如圖6所示。

不同節(jié)理傾角下裂紋信息匯總?cè)鐖D7所示。隨節(jié)理傾角增大，裂紋總數(shù)分別為1975、2169、2253、1768、499個(gè)，呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是裂紋擴(kuò)展區(qū)域與巖體初始損傷綜合作用的結(jié)果。另外，巖石類(lèi)材料微破裂可分為張拉裂紋和剪切裂紋，當(dāng)法向應(yīng)力超過(guò)法向黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生拉伸破壞，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生拉裂紋；當(dāng)切向應(yīng)力超過(guò)切向承載強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生剪切破壞，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生剪裂紋，裂紋類(lèi)型信息極大反應(yīng)了巖石破壞的本質(zhì)。這里定義試樣破壞時(shí)的剪切微裂紋占總微裂紋的比為剪切破壞比k，剪切破壞比越高表示斷裂過(guò)程中剪切破壞作用越明顯，反之表示拉伸破壞作用明顯，從而反映巖石破裂過(guò)程中的拉剪斷裂機(jī)制。當(dāng)節(jié)理傾角從15°增加到75°，剪切破壞比k分別為0.43、0.40、0.38、0.44、0.49。

2.2 節(jié)理長(zhǎng)度對(duì)變形特性和破壞模式的影響

圖8給出了5種節(jié)理長(zhǎng)度巖體試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，隨著節(jié)理長(zhǎng)度的增加，試件動(dòng)彈性模量依次為21.6 GPa、14.1 GPa、9.8 GPa、6.7 GPa、5.4 GPa，呈逐漸減小趨勢(shì)，最大動(dòng)彈性模量與最小動(dòng)彈性模量之間相差可達(dá)3倍。其中，對(duì)于15 mm節(jié)理試件，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)在峰后出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，即表明巖石試件仍保持較好的完整性，具有一定承載力。當(dāng)節(jié)理長(zhǎng)度大于15 mm，試件出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)黾佣鴾p小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)整體呈“開(kāi)口型”特征。

不同長(zhǎng)度節(jié)理試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度如圖9所示，可知節(jié)理對(duì)巖體的強(qiáng)度弱化效應(yīng)明顯。定義節(jié)理長(zhǎng)度與試樣沿節(jié)理傾角方向總長(zhǎng)度的比值為貫通度δ，則當(dāng)δ由0.21增大到0.50，試件的強(qiáng)度分別為90.1、62.9、47.1、33、20.7 MPa，呈逐漸減小趨勢(shì)。節(jié)理長(zhǎng)度差異表征了不同的巖石初始損傷，預(yù)制節(jié)理長(zhǎng)度越大，試件完整性越差，造成初始損傷越大，如節(jié)理長(zhǎng)度15 mm試件，其強(qiáng)度為完整試件的67%，較大程度上保留了試件抵抗荷載的能力，而對(duì)于節(jié)理長(zhǎng)度35 mm試件，其強(qiáng)度僅為完整試件的15%，承載能力下降明顯。

根據(jù)圖10展示的不同長(zhǎng)度預(yù)制節(jié)理巖體在受到?jīng)_擊荷載作用的破壞過(guò)程，節(jié)理傾角為45°，顯然，當(dāng)應(yīng)力波傳播至非貫通節(jié)理處時(shí)，節(jié)理尖端出現(xiàn)了應(yīng)力集中，造成尖端萌生大量微裂紋，同時(shí)試樣內(nèi)部不同部位出現(xiàn)少量隨機(jī)分布裂紋。當(dāng)節(jié)理貫通度較小時(shí)(δ=0.21～0.35)，尖端裂紋主要為翼裂紋，與最大主應(yīng)力呈一定夾角；而當(dāng)節(jié)理貫通度較大時(shí)(δ=0.35～0.50)，除節(jié)理端部的翼型裂紋外，沿節(jié)理方向產(chǎn)生明顯的共面裂紋，并不斷向試件端部擴(kuò)展。隨著沖擊荷載的增大，短節(jié)理試件中除翼型裂紋外，出現(xiàn)一定大量的反翼裂紋與遠(yuǎn)場(chǎng)共面裂紋。當(dāng)約430 μs時(shí)，試件內(nèi)部裂紋迅速凝聚、擴(kuò)展，短節(jié)理試件在反翼裂紋主導(dǎo)下貫通破壞，長(zhǎng)節(jié)理試件在反翼裂紋和共面裂紋共同作用下，出現(xiàn)宏觀斷裂帶，試件最終破壞形態(tài)如圖11所示。

圖 5 不同節(jié)理傾角試件裂紋演化圖Fig. 5 Crack propagation of specimens with different joint dip angles

圖 6 不同節(jié)理傾角試件破壞形態(tài)圖(15°、30°、45°、60°、75°)Fig. 6 Destruction form of specimens with different joint dip angles(15°、30°、45°、60°、75°)

圖 7 生成裂紋數(shù)目與節(jié)理傾角關(guān)系Fig. 7 Change law of the number of cracks with different joint dip angles

圖 8 不同節(jié)理長(zhǎng)度試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig. 8 Stress-strain curve of specimens with different joint length

圖 9 動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度與節(jié)理長(zhǎng)度關(guān)系Fig. 9 Peak stress with different joint length

圖12為裂紋信息匯總統(tǒng)計(jì)，隨節(jié)理長(zhǎng)度增大，裂紋總數(shù)分別為1016、1894、2253、2305、1834個(gè)，呈先增大后減小的趨勢(shì)，其中，對(duì)于短節(jié)理試件(15～25 mm)，節(jié)理長(zhǎng)度的增加，促使反翼裂紋大量增加，形成了更寬的破碎帶；當(dāng)節(jié)理長(zhǎng)度增加到一定程度，即本文的30～35 mm，共面裂紋產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)主裂紋直接影響了試件裂紋擴(kuò)展與破壞模式，反翼裂紋作用弱化，對(duì)于45°傾角節(jié)理試件，最終形成更為明顯的沿節(jié)理方向的對(duì)角破壞。當(dāng)裂紋長(zhǎng)度由從15 mm增加到35 mm時(shí)，剪切破壞比k分別為0.431、0.430、0.390、0.387、0.371，呈逐漸下降趨勢(shì)，即隨著節(jié)理長(zhǎng)度增加，拉伸作用趨于明顯。

圖 10 不同節(jié)理長(zhǎng)度試件裂紋演化圖Fig. 10 Crack propagation of specimens with different joint length

圖 11 不同節(jié)理長(zhǎng)度試件破壞模式(15～35 mm)Fig. 11 Destruction form of specimens with different joint length (15～35 mm)

3 節(jié)理貫通度對(duì)應(yīng)力波能量衰減規(guī)律的影響

為了研究節(jié)理的貫通度對(duì)應(yīng)力波衰減規(guī)律的影響，定義參數(shù)透射系數(shù)T為透射波與入射波的波幅比值。25 mm節(jié)理試件的入射波、透射波、反射波隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖13。不同貫通度下節(jié)理巖體的透射系數(shù)如圖14所示，隨著貫通度的增加，透射系數(shù)單調(diào)減小，應(yīng)力波衰減明顯，再次說(shuō)明了節(jié)理對(duì)巖體強(qiáng)度的弱化作用。

圖 12 裂紋生成數(shù)量與節(jié)理長(zhǎng)度關(guān)系Fig. 12 Change law of the number of cracks with different joint length

圖 13 25 mm節(jié)理試件入射波、透射波、 反射波應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)Fig. 13 Stress-time curve of incident wave,transmitted wave and reflected wave of 25 mm joint specimen

圖 14 透射系數(shù)與貫通度關(guān)系圖Fig. 14 Transmission coefficient with different joint continuity degree

巖石試件吸收了應(yīng)力波能量，從而導(dǎo)致內(nèi)部裂紋擴(kuò)展貫通，因此對(duì)巖石試件在沖擊荷載下的能量耗散特征展開(kāi)研究，將有助于揭示巖石破壞特征的本質(zhì)[19]。當(dāng)應(yīng)力波傳播到非貫通節(jié)理巖體時(shí)，入射波EI能量主要會(huì)分散為三部分：繼續(xù)傳播的透射能ET；反射回去并可能產(chǎn)生拉應(yīng)力的反射能ER；誘發(fā)微裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展甚至貫通的耗散能ED。其計(jì)算公式如下[20-22]

(1)

(2)

(3)

式中:A0、ρ0和C0分別為入射桿和透射桿的橫截面面積，初始密度以及彈性波縱波波速；εI(t1)、εR(t1)、εT(t1)分別為入射波，反射波與透射波的時(shí)程應(yīng)變。

定義能量透射系數(shù)Te、能量反射系數(shù)Re以及能量耗散系數(shù)De分別為透射能、反射能及損耗能與入射能的比值。如圖15所示，隨著節(jié)理貫通度的增加，能量透射系數(shù)迅速減小，能量反射系數(shù)增加，能量耗散系數(shù)先增加然后趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。能量耗散變化規(guī)律與圖12中節(jié)理裂紋數(shù)量結(jié)果吻合，隨著節(jié)理貫通度的增加，微裂紋數(shù)量并不是一直增加，而是快速增加后，增加速度變緩，最后出現(xiàn)減少。因?yàn)楣?jié)理貫通度增加后，節(jié)理更容易產(chǎn)生破壞，即新生微裂紋數(shù)量較小也可以導(dǎo)致貫通度較高的節(jié)理巖體產(chǎn)生破壞，從而導(dǎo)致應(yīng)力波能量大量被反射，應(yīng)力波衰減嚴(yán)重。

圖 15 各能量系數(shù)與貫通度關(guān)系圖Fig. 15 Energy ratio with different joint continuity degree

4 結(jié)論

采用顆粒流離散元程序(PFC2D)建立了分離式霍普金森壓桿(SHPB)數(shù)值模型，從細(xì)觀角度研究了含非貫通節(jié)理巖體的動(dòng)態(tài)破壞特征及應(yīng)力波傳播規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)沖擊荷載作用下，試件破壞過(guò)程可分為彈性階段、屈服階段和峰后破壞階段，節(jié)理長(zhǎng)度的增加或傾角的減小，均可促使試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)特征由“閉合型”向“開(kāi)口型”轉(zhuǎn)變。

(2)隨節(jié)理傾角從15°增加至75°，巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的近“V”字型變化趨勢(shì)，裂紋數(shù)量呈先增大后減小的變化規(guī)律；非貫通節(jié)理試件的破壞由剪切與拉伸共同作用導(dǎo)致，其中拉伸作用更加突出。

(3)隨著節(jié)理貫通度的增加，巖體初始損傷增大，試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度逐漸降低。巖石破壞模式由反翼裂紋主導(dǎo)貫通破壞向反翼裂紋和共面裂紋共同破壞轉(zhuǎn)換。

(4)隨著節(jié)理貫通度的增加，能量透射系數(shù)減小，能量反射系數(shù)增加，能量耗散系數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律。此外，應(yīng)力波衰減隨著節(jié)理貫通度的增加而趨于明顯。