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(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司流域樞紐運(yùn)行管理中心,湖北 宜昌 443133)

0 前 言

近年來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)，對(duì)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(guó)家實(shí)施了南水北調(diào)工程；為提高西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平，鞏固國(guó)防，國(guó)家實(shí)施了西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略；為推進(jìn)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體，促進(jìn)世界互聯(lián)互通，國(guó)家發(fā)起了“一帶一路”倡議。因此，我國(guó)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(kāi)發(fā)和工程建設(shè)，將要面臨大量的科學(xué)技術(shù)難題，對(duì)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(píng)估的重要依據(jù)，是巖土工程中的重點(diǎn)研究對(duì)象。

巖石靜力學(xué)和巖石動(dòng)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(dòng)力學(xué)領(lǐng)域通常認(rèn)為在應(yīng)變率超過(guò)1×10-3時(shí)將產(chǎn)生振動(dòng)。在隧道工程中的圍巖破碎、爆破開(kāi)挖，軌道交通對(duì)基礎(chǔ)的振動(dòng)，礦山開(kāi)采中沖擊地壓以及地震、滑坡等自然災(zāi)害都涉及巖石動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。所以，對(duì)巖石動(dòng)力學(xué)的研究是必要的。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(duì)巖石的變形、力學(xué)性質(zhì)以及能量耗散等會(huì)產(chǎn)生較大影響，是巖石動(dòng)力學(xué)研究中不可忽視的重要因素。在巖石動(dòng)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(duì)巖體動(dòng)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(dòng)力學(xué)重點(diǎn)研究對(duì)象。

近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用MTS試驗(yàn)機(jī)[1]和SHPB[2](霍普金森桿)等試驗(yàn)裝置針對(duì)裂隙巖體動(dòng)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(dú)文獻(xiàn)形式呈現(xiàn)，無(wú)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(gè)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(shí)，裂隙構(gòu)型對(duì)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(dòng)力學(xué)特性的基本構(gòu)型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均對(duì)其有深入研究，通過(guò)試驗(yàn)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(duì)巖體動(dòng)力學(xué)特性和破壞模式等的影響。王浩宇等[3]運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，對(duì)單裂隙巖石的動(dòng)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(yàn)，而Fairhurst準(zhǔn)則具有較好的適用性。鄧正定等[4]運(yùn)用模型元件模擬非貫通裂隙巖體的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程，研究表明應(yīng)變率對(duì)巖石強(qiáng)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(duì)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(duì)預(yù)制裂隙試樣的峰值應(yīng)力有強(qiáng)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(shì)增長(zhǎng)。Li等[6]基于高速相機(jī)和SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)預(yù)制單裂隙試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，觀察到6種裂紋類型，將預(yù)制裂隙試樣分為4個(gè)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(duì)比動(dòng)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(duì)角破壞模式，而“X”形破壞在動(dòng)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(guò)程可以看作是能量耗散的演化過(guò)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(shí)，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?xiě)?yīng)力應(yīng)變曲線預(yù)測(cè)裂紋起裂應(yīng)力原理。

2 多裂隙

經(jīng)過(guò)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(dú)存在的，而是成群出現(xiàn)，并且可能相互交錯(cuò)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(shí)際工程情況，為評(píng)價(jià)工程提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于預(yù)制多裂隙類型主要研究包括平行裂隙。對(duì)于平行裂隙的研究主要集中在平行裂隙傾角和數(shù)量對(duì)試樣的動(dòng)力學(xué)特性。王奇智等[10]針對(duì)含不同傾角平行雙節(jié)理類巖石材料進(jìn)行動(dòng)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(qiáng)度呈先增大后減少，最后再增大的規(guī)律，其峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在裂隙傾角為30°時(shí)，最小值現(xiàn)在裂隙傾角為75°時(shí)。張海波等[11]用霍普金森壓縮桿對(duì)不同數(shù)量的平行貫通裂隙進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，在巖石加載過(guò)程中，應(yīng)變率對(duì)巖石的彈性模量幾乎無(wú)影響，但峰值應(yīng)力隨著裂隙率的減少而降低。對(duì)非平行裂隙的相關(guān)研究相對(duì)較少，F(xiàn)eng等[12]通過(guò)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(duì)巖石試樣強(qiáng)度和裂紋貫通模式的影響，試樣強(qiáng)度與兩組交叉裂隙相對(duì)位置有關(guān)，含有兩個(gè)共線交叉裂隙試樣強(qiáng)度最高，同時(shí)裂隙相對(duì)位置不同，巖橋貫通類型也不相同，具有兩個(gè)對(duì)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(gè)共線交叉裂隙試樣巖橋合并則呈剪切裂紋。Feng等[14]對(duì)預(yù)制交叉裂隙試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明動(dòng)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(duì)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(duì)裂隙巖石動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究進(jìn)行大量研究，揭示了裂隙構(gòu)型和應(yīng)變率對(duì)巖體動(dòng)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(duì)于巖石工程的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)問(wèn)題具有深遠(yuǎn)的實(shí)際意義，同時(shí)也加深了對(duì)裂隙巖體動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)和理解。本研究針對(duì)裂隙巖體動(dòng)力學(xué)研究情況，分為單一裂隙和多裂隙兩個(gè)方面對(duì)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(duì)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(shí)主要呈現(xiàn)出“X”形剪切破壞模式。

2)對(duì)預(yù)制多裂隙試樣、裂隙數(shù)量、構(gòu)型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，試樣的強(qiáng)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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