Page 142 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 陶 明，等： 不同倾角充填节理对岩石爆破块度的影响 第 6 期

and image processing revealed that there was an upsurge in the occurrence of vertical cracks in the specimen as the joint
inclination increased, while a decline was observed in the presence of horizontal cracks.
Keywords: blasting model tests; jointed rock mass; stress wave; fragmentation distribution of blasting

天然岩石中含有大量的微观和宏观不连续面。在爆破作用下，这些缺陷与爆炸产生的应力波相互
作用，应力波在缺陷处发生散射，导致局部应力集中或衰减，进而影响爆破作业的有效性。例如：岩石节
理内存在的充填材料会改变能量传递和岩石破碎模式 [1-3] 。节理作为一种常见的不连续面，当距离爆源
较远时，主要以反射和透射应力波的方式影响其传播 。爆破 P 波遇到节理时，产生反射 P 波和 SV 波，
[4]
[5]
节理产生压缩变形和剪切滑移 。节理的刚度、厚度和倾角均对应力波的反射和透射特性存在影响 [1, 6-8] ，
[8]
P 波和 S 波的反射一般随节理刚度的增加而减少，随节理厚度的增加而增加 。许多学者的理论研究有
助于理解应力波在节理中的传播机理：Li 等 [9-11] 对节理岩体中应力波的传播进行了全面的理论分析；
Huang 等 [2] 分析了节理充填介质对应力波传播的影响，提出了一种改进的节理变形模型来描述应力波作
用下充填节理的变形特性。目前，学者已广泛从解析角度研究了节理间应力波的传播，主要考虑了应力
和位移的连续性和不连续性条件。本文则从实验的角度出发，在前者理论研究的基础上结合 LS-DYNA
有限元数值模拟分析不同倾角节理对岩石破碎产生的影响。
节理对岩体破碎的影响无法用理论方法直接评估，为了更好地评价爆破荷载作用下节理岩体的破

坏情况，可以通过建立数值模型来描述岩石在爆破冲击下的动态响应和损伤机制。Wang 等 [12] 结合 LS-
DYNA 与 UDEC 软件建立有限元（FEM）与离散元法（DEM）耦合模型，对节理岩体在爆破作用下的破坏
模式进行了评估，结果表明：节理附近由于应力波的反射而产生大量拉伸裂纹，且随着节理倾角的增大，

岩体的爆破损伤度呈现先增大后减小的趋势。Jiang 等 [13] 考虑初始应力的影响，建立了初始应力作用下
的节理岩体有限元模型，分析了不同倾角节理对爆破裂纹扩展的影响，结果表明，与主应力方向相交的

节理在爆炸作用下更容易产生拉裂。Yang 等 [14] 通过光弹性实验研究评估了初始应力作用下节理模型
中爆破诱发裂纹的产生和扩展，结果表明：高应力条件增强了节理裂隙处的剪切损伤程度，导致裂纹的
角度增大；当节理处于爆破裂纹扩展区内时，节理会阻碍裂纹在其两侧的透射。近十几年来，随着计算
机技术的发展，越来越多的数值模拟方法被开发并用于模拟材料的爆破，例如 DEM 、近场动力学（PD） [16]
[15]
以及混合方法等 [17-18] 。尽管有许多可用的数值方法，试验和现场测试仍然是评估爆破块度和振动的重要

方法。Hao 等 [19] 通过现场试验研究了节理对爆破振动传播特性的影响，结果表明，峰值质点振动速度在
垂直节理方向上衰减最快。Jhanwar [20] 研究了空气不耦合装药对节理岩体爆破破碎的影响，结果表明，
相比作用于中等强度、多节理岩体，空气不耦合装药对极低到低强度的、含少量节理的岩体效果更佳。
由于场地限制，开展爆破试验研究存在困难，一些学者利用霍普金森杆代替炸药，研究节理岩体的动态
裂纹扩展、破坏模式、破碎以及应力波传播等 [7,21] 。大量研究表明，节理对岩石爆破具有明显的影响，包
括裂纹扩展、应力波的传播、质点振动的衰减等 [19, 22-25] ，但目前关于节理对岩石爆破块度影响的研究较
少。随着近地表易开采资源日益枯竭，矿藏地质条件和岩土工程情况日益复杂，资源开采面临的挑战也
越来越大，但爆破仍是岩石破碎最有效的方法 [26] ，因此研究节理对岩石爆破破碎的影响重要而紧迫。

基于以上原因，本文中对节理混凝土模型进行物理试验和数值模拟，以评估单个充填节理对爆破块
度的影响，共对 6 个含不同倾角的充填节理混凝土模型进行爆破试验，通过有限元数值模拟研究爆破过
程中应力波的传播和塑性损伤演化情况，利用数值重构裂纹网络及图像处理方法定量分析节理倾角对
爆破裂纹的影响，探索节理对爆破块度的影响机理，以期为节理岩体爆破参数设计及优化提供参考。

1 模型试验

1.1 试样制备
露天矿和地下矿开采中，节理及层理结构对应力波传播及岩体破碎有显著影响。为了研究充填节

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