裂隙巖石試樣動力學(xué)研究進(jìn)展

趙家琛，帥科偉,陳海亮，姚 遠(yuǎn)

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)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(jīng)濟穩(wěn)定增長，對發(fā)展空間以及資源需求不斷增加。為優(yōu)化水資源配置，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，國家實施了南水北調(diào)工程；為提高西部地區(qū)經(jīng)濟和社會發(fā)展水平，鞏固國防，國家實施了西部大開發(fā)戰(zhàn)略；為推進(jìn)構(gòu)建人類命運共同體，促進(jìn)世界互聯(lián)互通，國家發(fā)起了“一帶一路”倡議。因此，我國巖石工程數(shù)量與規(guī)模均屬世界前列。大規(guī)模的資源開發(fā)和工程建設(shè)，將要面臨大量的科學(xué)技術(shù)難題，對巖石工程研究提出了更高的要求。巖石力學(xué)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(jù)，是巖土工程中的重點研究對象。

巖石靜力學(xué)和巖石動力學(xué)雖然都是以固體力學(xué)為基礎(chǔ)，但在荷載形式上具有明顯區(qū)別。巖石動力學(xué)領(lǐng)域通常認(rèn)為在應(yīng)變率超過1×10-3時將產(chǎn)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(chǔ)的振動，礦山開采中沖擊地壓以及地震、滑坡等自然災(zāi)害都涉及巖石動力學(xué)問題。所以，對巖石動力學(xué)的研究是必要的。

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

近10年來，國內(nèi)外學(xué)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(xué)進(jìn)行大量研究，并取得了豐碩成果，但大部分成果以單獨文獻(xiàn)形式呈現(xiàn)，無法系統(tǒng)反映該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。因此，本文主要從預(yù)制單裂隙和多裂隙兩個方面系統(tǒng)性總結(jié)分析已有的研究成果。

1 單一裂隙

巖石受到?jīng)_擊荷載時，裂隙構(gòu)型對巖石力學(xué)特性有很大影響。單一裂隙作為研究裂隙巖體動力學(xué)特性的基本構(gòu)型，國內(nèi)外學(xué)者均對其有深入研究，通過試驗研究和數(shù)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(xué)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(tài)破壞進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，巖石力學(xué)中的Griffith準(zhǔn)則、Hoek-brown準(zhǔn)則和mohr-coulomb準(zhǔn)則等不適用于預(yù)制單一裂隙巖石的沖擊試驗，而Fairhurst準(zhǔn)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(tài)破壞過程，研究表明應(yīng)變率對巖石強度和彈性模量等有較大影響，即應(yīng)變率效應(yīng)，并且應(yīng)變率效應(yīng)對巖體具有明顯的硬化效應(yīng)。同樣，王煜等[5]發(fā)現(xiàn)加載速率對預(yù)制裂隙試樣的峰值應(yīng)力有強化效應(yīng)，并且在相同加載速率下，試樣的峰值應(yīng)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(tǒng)對預(yù)制單裂隙試樣進(jìn)行沖擊試驗，觀察到6種裂紋類型，將預(yù)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(zhǔn)靜荷載下預(yù)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(jié)7種裂紋類型，在準(zhǔn)靜態(tài)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(dǎo)地位。試樣受載裂紋的起裂和發(fā)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(yù)制單裂隙試樣在沖擊荷載下能量演化的應(yīng)變率效應(yīng)，結(jié)果表明應(yīng)變率在10-3/s、5×10-4/s時，峰值應(yīng)力，彈性模量等參數(shù)明顯增大；應(yīng)力應(yīng)變曲線與能量演化曲線具有高度相關(guān)性，能夠解釋應(yīng)力應(yīng)變曲線預(yù)測裂紋起裂應(yīng)力原理。

2 多裂隙

經(jīng)過復(fù)雜的地質(zhì)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(xiàn)，并且可能相互交錯相互影響，所以研究預(yù)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(zhǔn)確的依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者對于預(yù)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(shù)量對試樣的動力學(xué)特性。王奇智等[10]針對含不同傾角平行雙節(jié)理類巖石材料進(jìn)行動態(tài)壓縮，結(jié)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(guī)律，其峰值強度出現(xiàn)在裂隙傾角為30°時，最小值現(xiàn)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(shù)量的平行貫通裂隙進(jìn)行壓縮試驗，在巖石加載過程中，應(yīng)變率對巖石的彈性模量幾乎無影響，但峰值應(yīng)力隨著裂隙率的減少而降低。對非平行裂隙的相關(guān)研究相對較少，F(xiàn)eng等[12]通過數(shù)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(jié)了8種類型的巖橋貫通類型。

此外，一些學(xué)者研究預(yù)制交叉裂隙巖石試樣的力學(xué)特性和破壞模式。Zhang等[13]主要研究預(yù)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(guān)，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(yù)制交叉裂隙試樣進(jìn)行沖擊試驗，結(jié)果表明動態(tài)荷載下所有裂隙試樣均呈現(xiàn)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(yīng)變率下，位置參數(shù)和比例參數(shù)相對較低，這表明高應(yīng)變率下試樣碎片平均尺寸更小，破碎程度更高。

3 結(jié) 論

目前針對裂隙巖石動力學(xué)試驗研究進(jìn)行大量研究，揭示了裂隙構(gòu)型和應(yīng)變率對巖體動力學(xué)特性、能量耗散以及破壞模式的影響規(guī)律。這些研究成果對于巖石工程的動態(tài)擾動問題具有深遠(yuǎn)的實際意義，同時也加深了對裂隙巖體動力學(xué)的認(rèn)識和理解。本研究針對裂隙巖體動力學(xué)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(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)。

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

2)對預(yù)制多裂隙試樣、裂隙數(shù)量、構(gòu)型對試驗結(jié)果有較大影響，試樣的強度隨裂隙數(shù)量的增加而減??；在非平行裂隙巖石試樣中，隨著裂隙傾角的變化，共出現(xiàn)8種巖橋類型。

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