Page 114 - 《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

或围压的情况下，根据不同的应变率条件，完整岩石在受到冲击荷载时会表现出不同的力学行为。Li 等 [33]
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发现在中等应变率下，一些大的断裂主导了试件的破坏行为。Xia 等 [34] 认为在较低应变率下（～70 s ），
动态压缩会使岩石内的裂纹稍有扩展，变形仅包含少量的永久变形，而在高应变率下，岩石的变形机制

为从试样两端开始的压碎。Zhou 等 [35] 认为岩石试件存在一个临界疲劳冲击应力，当循环冲击应力低于
此应力时试件几乎没有损伤发生。Li 等 [36] 则认为花岗岩试件在冲击应力下的力学行为分为 2 种等级，
一种表现为轻微劈裂或劈裂，另一种则是当应变率超过粉化阈值时，试件转化为普遍粉化状态。Aben 等 [37]
则根据应力-应变率-应变曲线归纳总结了岩石在冲击荷载下的 3 种不同的力学行为。首先，如果加载率
低于损伤阈值，试件会完全回弹，此时岩石材料的损伤几乎可以忽略。其次，当加载率高于损伤阈值但
低于粉化阈值时，岩石材料在卸载阶段会表现出较大的应变回弹。在这种情况下，岩石宏观状态可能包
括保持完整、剥落或动态断裂。最后，若加载率超过粉化阈值，岩石材料受冲击后会发生破碎甚至粉
化。在循环冲击荷载（加载率高于损伤阈值但低于粉化阈值）作用下，完整岩石会首先被压密，随后不断
产生损伤，其力学性质逐渐弱化，导致粉化阈值降低 [38] 。目前，仅有少数学者对节理岩体在循环冲击载
荷作用下的动态力学行为进行了试验研究。Han 等 [31] 和 Zhou 等 [39] 在对单节理岩体的循环冲击试验中
发现，在没有轴压的情况下，翼裂纹对试件的破坏起主要作用。Liu 等 [40] 开展了多节理岩体的循环冲击
试验，分析了试件的宏观和微观破坏机理。然而，当前的研究中多集中于分析轴压对单节理岩体在循环
冲击作用下力学行为的影响，对无轴压或围压条件下单节理岩体动态力学行为的归纳总结及损伤演化
研究尚为缺乏。
在露天矿山开采过程中，边坡岩体会遭受循环往复的爆破冲击荷载作用，目前的研究多集中于循环
冲击作用下完整岩石的动态力学行为，对单节理岩体在循环冲击荷载下的力学行为研究不足。为此，开
展一系列循环冲击试验，探讨循环冲击作用下单节理岩体的动态力学和断裂行为以及累积损伤效应，讨
论完整岩石、单节理岩体和多节理岩体在循环冲击作用下的破坏机理，以期加深岩体在循环动荷载作用
下的力学和断裂行为的认识，为提高经常遭受循环动荷载扰动的工程岩体的稳定性提供帮助。

1 试 验

1.1 试件

试验材料为来自中国山东省某矿山的辉长岩，
对岩石试件切片在偏光显微镜下进行观察（图 1），
可 以 看 到 该 试 件 主 要 由 斜 长 石 （ 矿 物 含 量 约 Quartz
Clinopyroxene
65%）、单斜辉石（矿物含量约 30%）和石英（矿物
含量＜5%）3 种矿物相组成，矿物颗粒尺寸最大
为 1 mm。对直径为 50 mm、高度为 100 mm 的
Plagioclase
圆柱形试件进行无侧限单轴压缩试验，对直径
为 50 mm、高度为 25 mm 的圆柱形试件进行巴
500 μm
西劈裂试验，得到辉长岩的密度为 2 870 kg/m ，
3
波速为 4 700 m/s，弹性模量为 14.56 GPa，泊松比 图 1 辉长岩试件切片的偏光显微镜照片
为 0.26，单轴压缩强度为 173.86 MPa，巴西劈裂 Fig. 1 Polarizing microscope photo of the
gabbro specimen section
强度为 5.52 MPa。
将质量均匀、完整性良好的块体加工成尺寸为如图 2(a) 所示的 60 mm×45 mm×20 mm （长×宽×厚）
的完整块体，加载方向从左到右，单个节理长度 2a = 10 mm，α 为节理倾角。单节理辉长岩试件如图 2(b)～
(f) 所示，共制备了 5 组试件，每组 3 个试件。试件命名惯例为单节理辉长岩（single joint gabbro, SJG）-倾
角-编号，如 SJG-0-2，指 0°节理倾角、编号为 2 的试件。最后，将试件表面抛光至粗糙度小于 0.02 mm。
另外，将人为预先添加的缺陷定义为节理，而将由于冲击载荷在试件中形成的新缺陷定义为裂纹。

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