巖體動(dòng)力學(xué)和巖體動(dòng)力工程專題序

周宏偉 范立峰

*(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

?(北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124)

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的實(shí)施，一大批國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如白鶴灘水電站、錦屏二級(jí)水電站、南水北調(diào)西線工程以及其他巖石工程建設(shè)陸續(xù)開(kāi)展。同時(shí)能源地下儲(chǔ)存、高放核廢物的深地質(zhì)處置、二氧化碳地下封存等巖體工程也引起政府的高度重視，有些已納入國(guó)家發(fā)展規(guī)劃。這些巖體工程建設(shè)帶來(lái)了許多巖石力學(xué)前沿課題和亟待解決的工程技術(shù)難題，為巖石力學(xué)學(xué)科提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

巖體工程在施工和服役階段，地震、爆破等動(dòng)載荷不可避免會(huì)對(duì)其造成不同程度的擾動(dòng)，影響巖體工程穩(wěn)定性，甚至造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。巖體工程動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析與控制是保障其可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。為了揭示動(dòng)載荷對(duì)巖體工程的影響規(guī)律和機(jī)理，提高巖體工程動(dòng)力響應(yīng)的預(yù)測(cè)精度，合理評(píng)估及控制動(dòng)載荷作用下巖體工程的穩(wěn)定性，研究人員基于實(shí)測(cè)分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、理論演繹等方法開(kāi)展了大量的研究工作，取得了豐碩研究成果，為解決巖體工程穩(wěn)定性問(wèn)題提供了科學(xué)依據(jù)，為推動(dòng)巖體動(dòng)力學(xué)與巖體動(dòng)力工程學(xué)科發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。

《力學(xué)與實(shí)踐》為聚焦巖體動(dòng)力學(xué)和巖體動(dòng)力工程的最新成果，推動(dòng)該領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，服務(wù)國(guó)家重大巖體工程的實(shí)際需求。本期組織出版“巖體動(dòng)力學(xué)和巖體動(dòng)力工程”專題。經(jīng)嚴(yán)格的同行評(píng)議，共錄用了11 篇研究論文和1 篇綜述論文，主要內(nèi)容簡(jiǎn)要介紹如下。

為了探究花崗巖在強(qiáng)動(dòng)載荷條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，李干等[1]通過(guò)分離式霍普金森壓桿和輕氣炮系統(tǒng)開(kāi)展了壓桿試驗(yàn)和飛片撞擊試驗(yàn)。壓桿試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)花崗巖在較高應(yīng)變率范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，其強(qiáng)度與應(yīng)變率近似呈指數(shù)關(guān)系。飛片撞擊試驗(yàn)顯示，隨著飛片速度增大，沖擊波傳播速度呈現(xiàn)三段式變化趨勢(shì)，而試樣的可壓縮性隨加載速度的提高先增強(qiáng)后降低。最后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了適用于強(qiáng)動(dòng)載荷條件花崗巖的HJC（Holmquist–Johnson–Cook）本構(gòu)模型、Gruneisen 狀態(tài)方程和動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度參數(shù)。

在動(dòng)載荷作用下，巖體會(huì)沿節(jié)理面發(fā)生剪切滑移，誘發(fā)巖體滑坡、洞室坍塌等災(zāi)害，研究巖石節(jié)理的動(dòng)態(tài)剪切行為對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防治具有重要意義。袁偉等[2]綜述了研究巖石節(jié)理動(dòng)態(tài)剪切力學(xué)特性幾種典型的試驗(yàn)系統(tǒng)，重點(diǎn)探討了非充填巖石節(jié)理的動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度和變形特征，提出了研究動(dòng)載荷作用下巖石剪切變形需要進(jìn)一步克服的難題。

紅層砂泥巖在爆破、地震等動(dòng)載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形和破壞，進(jìn)而誘發(fā)山體滑坡、隧道坍塌等工程災(zāi)害，紅層砂泥巖的動(dòng)力響應(yīng)研究對(duì)工程建設(shè)的安全運(yùn)營(yíng)有重要影響。李相厚等[3]針對(duì)四川地震頻發(fā)地區(qū)廣泛分布的紅層砂泥巖，通過(guò)不同動(dòng)應(yīng)力幅值的單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究了3種典型紅層砂泥巖（粉砂質(zhì)泥巖、泥粉砂巖和細(xì)砂巖）的動(dòng)力學(xué)特性。為了研究動(dòng)–靜載荷耦合作用下紅層砂泥巖的力學(xué)響應(yīng)，高永青等[4]對(duì)粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖等3 種典型微風(fēng)化紅層砂泥巖進(jìn)行了中等應(yīng)變率條件下的動(dòng)三軸壓縮試驗(yàn)，揭示了其動(dòng)力學(xué)特性中圍壓效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)的規(guī)律。針對(duì)紅層砂泥巖邊坡在建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)的大規(guī)模變形和破壞。熊存洪等[5]以樂(lè)山紅層砂泥巖為例，通過(guò)濾紙法和浸水法等試驗(yàn)方法系統(tǒng)研究了泥巖的水土特征曲線和浸水崩解特征，建立了適用于該地區(qū)的水土特征曲線模型，并分析了浸水時(shí)間對(duì)泥巖崩解質(zhì)量和顆粒級(jí)配的影響。這些研究結(jié)果為該地區(qū)泥巖的工程建設(shè)提供了理論依據(jù)和定量數(shù)據(jù)支持。

在地震、爆破等動(dòng)載荷作用下，巖體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量不規(guī)則裂隙，影響地層的穩(wěn)定性，如何高效、快速修復(fù)破碎巖體是巖體工程需要解決的難題。吳龍?bào)K等[6]開(kāi)展了聚丙烯酸酯乳液改性水泥漿液作為注漿材料修復(fù)破碎巖體效果的研究。通過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與實(shí)際工程中應(yīng)用的注漿材料進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)聚丙烯酸酯乳液改性水泥漿液具有優(yōu)秀的單軸抗壓強(qiáng)度和韌性。聚丙烯酸酯乳液可改善結(jié)石體的孔隙結(jié)構(gòu)，使?jié){液與巖體之間形成緊密的膠結(jié)，可以作為一種有效的注漿材料用于修復(fù)破碎巖體。

在深部巖體工程建設(shè)中存在大量的地下硐室，研究爆破與地震載荷下地下硐室的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異對(duì)于地下結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要的工程意義。陶明等[7]研究了爆破和地震對(duì)橢圓夾塞體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異。通過(guò)引入雷克子波和針狀波，利用馬修函數(shù)和波函數(shù)展開(kāi)法，獲得了爆破和地震下橢圓夾塞體的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)應(yīng)力集中因子的時(shí)變解析解。數(shù)值結(jié)果顯示，相較于爆破，地震會(huì)更大程度上導(dǎo)致夾塞體與圍巖結(jié)構(gòu)的破壞，具有更強(qiáng)的破壞能力。這項(xiàng)研究成果對(duì)于理解爆破和地震對(duì)地下回采充填體等夾塞體的影響具有重要意義。為探究不同耦合介質(zhì)爆破裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展特性，王雁冰等[8]通過(guò)透射式數(shù)字激光焦散線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了水、空氣、沙土三種耦合介質(zhì)的不耦合爆破試驗(yàn)，研究了不同耦合介質(zhì)爆破后的裂紋形貌、巖石破壞程度。分析了不同耦合介質(zhì)爆破對(duì)裂紋擴(kuò)展速度、裂紋動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。

超深地層井筒壓力波動(dòng)作用下井壁的突發(fā)性失穩(wěn)嚴(yán)重制約了超深硬巖地層安全鉆井。盧運(yùn)虎等[9]探討了超深致密砂巖地層井壁動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)問(wèn)題，考慮了孔隙流體硬巖的壓縮性、慣性和黏滯耦合作用，建立了井筒壓力波動(dòng)條件下井周應(yīng)力分布公式和超深致密硬巖地層井壁坍塌指數(shù)的孔隙彈性動(dòng)力學(xué)模型。研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)孔隙彈性模型預(yù)測(cè)的地層比傳統(tǒng)模型更容易失穩(wěn)，而高本征頻率和最大地應(yīng)力的地層比一般地層更容易失穩(wěn)。研究揭示了超深硬巖地層井壁突發(fā)性失穩(wěn)的力學(xué)本質(zhì)，為鉆井過(guò)程中井筒力控制參數(shù)的調(diào)整提供了科學(xué)依據(jù)。

錨桿是巖石工程領(lǐng)域常用的一種加固結(jié)構(gòu)，錨桿的受力特性研究對(duì)整體支護(hù)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定性文獻(xiàn)具有重要意義。湯旭東等[10]實(shí)驗(yàn)研究了錨固單元界面的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)砂漿強(qiáng)度直接影響界面的峰值強(qiáng)度和剪切剛度。在相同強(qiáng)度砂漿條件下界面的峰值強(qiáng)度、剪切剛度和殘余剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力成正比。此外，剪切率的增加會(huì)導(dǎo)致峰值剪切強(qiáng)度增大，對(duì)殘余剪切強(qiáng)度影響較小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和非連續(xù)變形分析方法的數(shù)值模擬，將錨固單元與巖石間界面的分解過(guò)程分為“峰前–軟化–滑移”三個(gè)階段，并發(fā)現(xiàn)不同階段受不同因素的影響。最后，通過(guò)引入實(shí)驗(yàn)獲得的三線滑移模型曲線到全長(zhǎng)錨固錨桿模型的數(shù)值模擬，數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明較快的拔出速率將影響錨桿的變形能力。

隧道在施工過(guò)程中會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致地表發(fā)生沉降。在富水地層中，由于地下滲流的作用，導(dǎo)致傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)的地表沉降小于實(shí)際地表沉降。韓偉等[11]研究了富水飽和區(qū)盾構(gòu)隧道施工地表沉降計(jì)算方法，探討了在隧道開(kāi)挖引起地表沉降中廣泛應(yīng)用的隨機(jī)介質(zhì)理論的局限性。通過(guò)結(jié)合地下水滲流理論，提出了一種新的地表沉降計(jì)算方法，該方法考慮了開(kāi)挖擾動(dòng)和地下滲流對(duì)地層的影響。為富水地層中隧道開(kāi)挖的沉降預(yù)測(cè)和控制提供了參考。

地震會(huì)導(dǎo)致建筑場(chǎng)地發(fā)生破壞，引發(fā)建筑物開(kāi)裂、傾斜甚至倒塌，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，定量評(píng)價(jià)場(chǎng)地破壞對(duì)建筑物震害的影響是一個(gè)亟需解決的難點(diǎn)問(wèn)題。費(fèi)揚(yáng)等[12]針對(duì)鋼筋混泥土框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析考慮地基側(cè)向永久位移的問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了地基側(cè)向永久位移對(duì)結(jié)構(gòu)震害的影響。這對(duì)于定量評(píng)估場(chǎng)地破壞對(duì)建筑物震害的影響具有重要意義。

巖體動(dòng)力學(xué)和巖體動(dòng)力工程是與工程應(yīng)用密切相關(guān)的學(xué)科，并且隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，目前的理論難以適應(yīng)日益發(fā)展的工程規(guī)模和工程復(fù)雜性。從上述文章介紹可以看出，我國(guó)研究人員為推動(dòng)巖體動(dòng)力學(xué)與巖體動(dòng)力工程的發(fā)展開(kāi)展了卓有成效的工作，為巖體工程建設(shè)做出了突出貢獻(xiàn)，主要涉及巖體動(dòng)力特性數(shù)值模擬與仿真、巖體動(dòng)力特性測(cè)試技術(shù)與方法、爆炸及動(dòng)載破巖的理論與技術(shù)等諸多方面的研究工作。希望本專題能為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考，為巖體工程動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警與防治提供技術(shù)支撐。