Page 113 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 刘康琦，等： 循环冲击荷载作用下单节理岩体的动态力学行为 第 6 期

rebound occurs in all specimens, and their mechanical properties do not monotonically degrade with an increasing number of
impacts. The peak stress of the specimens generally exhibits a decreasing trend with the number of impacts. The cumulative
damage coefficient, represented by dissipated energy, increases approximately linearly with the number of impacts, while the
increase rate decreases with larger joint inclination angles. Under low-stress impact loading, the compressive-shear stress
within single-jointed specimens is insufficient to generate shear cracks. The failure of specimens primarily results from the
progressive propagation of tensile cracks induced by tensile stress, which eventually coalesce with the joint. The failure
mechanism of multi-jointed rock masses resembles that of single-jointed rock masses. During cyclic impact loading, both
compaction of micro-defects and initiation of micro-cracks at joints occur simultaneously. However, the impact resistance of
multi-jointed specimens depends on whether the cracks can interconnect the joints. For intact rock specimens, the failure
process initially involves compaction of micro-defects, followed by probabilistic activation of micro-cracks, ultimately leading
to specimen failure.
Keywords: single-jointed rock mass; cyclic impact loading; energy dissipation; cumulative damage; failure mechanisms

岩体由块状岩石和结构面共同组成，是一种经受过变形、遭受过破坏，具有多种不连续结构面的地
质体 。由于结构面的存在，岩体和岩石之间的力学特性存在很大的差异。节理作为一种普遍存在的结
[1]
构面，通常会导致岩体整体强度的降低 ，岩体强度一般介于岩石强度与节理强度之间，在岩体的破坏过
[2]
程中，结构面，特别是节理，起着至关重要的控制作用。迄今为止，已有大量研究集中于探究岩体在静态
或准静态荷载作用下的力学性质 [3-4] 。然而，在实际情况中，岩体经常受到如爆破和频繁微小地震等连续
动力扰动的影响 [5-7] 。因此，研究节理岩体在循环动荷载作用下的动态力学和断裂行为变得尤为重要，这
对于加强矿山开采、地下工程开挖中的岩体工程防护以及理解断层破裂过程具有重要意义。
在静态或准静态荷载下，节理岩体的力学性质和破坏模式已经通过理论分析、室内试验和数值模拟
方法得到了广泛研究。研究表明，节理岩体的强度和变形特性与诸如节理倾角、条数、间距、排距、和粗
糙度等节理参数以及节理充填物性质有着密切的关联 [8-9] 。近年来，节理岩体的动态力学性质也受到了
广泛关注。在理论分析方面，刘红岩等 [10] 在 Taylor-Chen-Kuszmaul（TCK）模型的基础上，基于断裂和损
伤理论提出了考虑节理 3 类参数的断续节理岩体动态损伤本构模型，计算结果表明节理的存在会降低
岩体的动态弹性模量及峰值强度。邓正定等 [11] 基于复合损伤理论，通过对广义 Bingham 模型进行改进，
构建了不同应变率条件下节理岩体的动态本构模型。刘红岩等 [12] 采用组合模型法建立了考虑节理剪切
强度的贯通节理岩体动态损伤本构模型，发现随着节理倾角的改变，贯通节理岩体将发生岩块张拉或剪
切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述 2 种破坏模式的复合破坏。在数值模拟方面，颗粒离散元法和连
续-离散耦合法已成功应用于模拟节理岩体的 SHPB（split Hopkinson pressure bar）试验中 [13-15] 。在室内试
验方面，分离式霍普金森杆或 Kolsky 杆已成为研究岩石材料的动态力学性质最为经典的一种试验设备 。
[16]
刘红岩等 [17] 采用相似材料模型，利用 SHPB 研究了不同节理倾角、节理贯通度、节理条数、载荷应变率、
节理充填物厚度、节理充填物类型和试件长径比等工况下的节理动态强度和破坏模式，发现对于单节理
岩体而言，节理倾角对其强度和破坏特征具有更大的影响。王建国等 [18] 研究了节理倾角对应力波穿越
节理面时的波动特性和能量传递及耗散的影响，发现在入射能相近的情况下，试件的反射能占比、透射
能占比和耗散能占比均随着节理倾角的改变而改变。李地元等 [19] 开展了含预制裂隙大理岩 SHPB 动态
力学破坏特性试验，研究了端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响，发现大理岩的裂纹
总是从裂隙尖端或附近起裂并沿加载方向扩展并贯通。张人凡等 [20] 进行了修正侧开单裂纹半孔板的动
态冲击试验，利用分形理论修正了黑砂岩的动态强度因子，并计算了其动态断裂韧度。目前的研究 [21-23]
已表明，岩石或节理岩体的强度通常随着应变率的提高而增大。在高应变率条件下，节理岩体的动态破
坏总是呈 X 形或半 X 形的破坏模式，而与节理倾角的关系不大 [24-28] 。
近年来，研究者们越来越关注岩石材料在循环冲击荷载作用下的动态力学性质，并开展了多种试
验，包括循环冲击试验 [29-30] 、耦合轴压-循环冲击试验 [31] 和耦合三轴围压-循环冲击试验 [32] 。在没有轴压

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