Page 121 - 《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

0.30

0.25
D=0.21
0.20
Damage variable 0.15

0.10
SJG-0-3 y=0.08193x+0.02614
0.05 SJG-30-2 y=0.05388x−0.0129
y=0.03296x+0.02561
SJG-45-1
SJG-60-3 y=0.03046x−0.0102
SJG-90-1 y=0.01566x−0.00035
0 2 4 6 8 10 12 14
Impact number
图 15 由能量计算得到的损伤变量与冲击次数的关系
Fig. 15 Relationship between damage variable calculated by energy and impact number

3 破坏机理的讨论

Aben 等 [37] 将岩石材料在冲击荷载作用下的力学行为分为 3 类：(1) 表现为加载应力远低于试件的
静态/准静态峰值强度，应力-应变曲线存在明显的应变回弹；(2) 表现为试件的动态峰值应力远低于施加
的入射峰值应力，应力-应变曲线和第 (1) 类相似，存在应变回弹现象，其破坏模式多为动态断裂；(3) 应
力-应变曲线中应变率不存在负值，试件的破坏模式多为粉碎状。在高应变率加载下，节理岩体的力学行
为符合第 (3) 类应力-应变曲线特征，其破坏模式与节理参数无关，节理处的剪切裂纹会先于拉伸裂纹出
现，并作为主导裂纹形成 X 形或半 X 形剪切带，导致试件破坏。这是由于，在冲击荷载作用下，当应力波
到达时，节理处的应力状态首先是压应力，应力波通过后再形成拉应力，若应力波幅值足够大，则会使起
裂点处的剪切应力迅速提高至较高水平，并诱发剪切裂纹的产生，同时抑制张拉裂纹的产生。同时，若
加载速率足够高，节理尖端处萌生的裂纹来不及扩展，试件内的其他缺陷同样会被激活，岩石材料的破
坏由整体的损伤导致而不是由节理尖端处萌生的裂纹的扩展和贯通导致。
在低加载率的循环冲击作用下，对于完整岩石，Wang 等 [44] 的研究表明，试件的峰值应力通常先升高
后降低。这是因为，循环冲击会使完整岩石试件内的微观缺陷先以被压密为主，试件内的弹性应变能逐
渐累积，试件的弹性模量和峰值应力逐次升高。冲击次数的增加，会使完整岩石试件内的微观缺陷转化
为以被激活为主，导致弹性应变能迅速释放。完整岩石不存在宏观缺陷，因此每次被激活的缺陷呈概率
分布 [45] ，导致试件的弹性模量和峰值应力连续降低。而当试件已经存在节理等宏观缺陷时，低应力冲击
加载可能同时导致微观缺陷压密和节理尖端处的裂纹萌生，直接导致了节理岩体的动态力学响应并不
严格随着冲击次数的增加而单调发展的现象。
循环冲击荷载作用下单节理岩体和多节理岩体的破坏模式如表 2 所示，循环冲击荷载作用下节理
岩体的力学行为符合第 (2) 类应力-应变曲线特征，破坏模式多为劈裂。由表 2 可知，与高应变率条件下
不同，在低应力循环冲击中，当入射应力到达试件中的张开型节理处时，其压剪应力不足以使起裂点处
产生剪切裂纹，由于岩石抗拉强度远低于抗压强度，随后的张拉应力会使试件在起裂点处产生拉伸裂
纹，并沿着加载方向扩展，最终导致试件产生劈裂破坏。
节理面的正应力为：
2
σ n = σ(t)sin (α+π/2) (10)
式中：σ 为作用在节理面上的应力，t 为加载时间。由此计算得到节理面正应力随节理倾角的变化见图 16，
可以看出，随着节理倾角的增大，试件中节理面上的正应力随之降低。应力强度因子 K 的一般表达式为：
√
K = Yσ n πa (11)

061423-10