Page 174 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 吝曼卿，等： 缓倾结构面岩体在梯度应力作用下的岩爆模型 第 6 期

模型加载至初始围压状态后，迅速撤离装置前侧限位门板，卸载一面水平围压。模拟开挖后按照路径分
级施加竖向荷载直至发生岩爆，与此同此，利用实时监测系统记录加载过程中岩体试件的声发射特征、
卸载面的红外特征、卸载面的 DIC 应变特征和岩体的破坏特征。

8
7 σ 1-1
6
Gradient
stress
5 Confining
σ/MPa 4 stress
3 σ 1-2
σ 1-3
2 σ 1-4
1 σ 2 =σ 3

0 20 40 60 80 100 120 140
Time/min

图 4 梯度应力加载路径
Fig. 4 Stress loading paths for different gradients
2 含缓倾结构面岩体的宏观破坏特征分析

2.1 含缓倾结构面岩爆演化过程

借助高速摄影机捕捉试件的岩爆破坏过程。在梯度应力加载路径下，随着试件结构面倾角的增大，
试件破坏程度和岩爆发生烈度也明显提高。图 5 给出了含不同缓倾结构面试件在梯度应力下发生岩爆
的整个过程。不同倾角试件岩爆演化过程均可大致分为 4 个阶段，即安静阶段、裂纹发育阶段、稳定破
坏阶段和全面崩塌（岩爆）阶段。
以试件 A5 为例，在开门卸载以后，试件 A5 仍处于安静阶段，卸载面未见明显破坏。当梯度应力加
载至第 4 级时，σ 1 达到 4.0 MPa，试件顶部（第 1 条结构面附近）开始出现明显的裂纹并向下蔓延，预示
1-
着试件进入裂纹发育阶段。当加载至 4 570.09 s 时，试件卸载面最初产生裂纹的位置产生小规模碎片剥
落，留下较浅的片坑。当加载进行至 4 815.81 s 时，在原有岩爆坑内继续发生碎片弹射，岩爆坑向岩体内
部进一步扩展。当梯度应力加载至第 5 级时，σ 1- 1 达到 4.5 MPa，卸载面上最初破坏位置开始向周围拓
展，直至裂纹贯穿，产生大块碎片崩落，标志着试件进入稳定破坏阶段。当试件加载至 4 830.26 s 瞬间，
试件进入全面崩塌阶段，试件上部产生全面的剧烈破坏，卸载面上部含结构面附近的岩体碎块崩出，伴
随岩粉喷出，范围不断扩大，形成最终的岩爆坑，具体如图 5(a) 所示。

3 种不同倾角结构面试件的总体演化过程具有共同特征，即随着结构面倾角的增大，试件发生的岩
爆烈度存在明显差异，含 25°倾角结构面试件在梯度应力路径下产生的岩爆最剧烈，且岩爆过程持续时
间最短，约为 7 s，但试件出现前兆破裂到岩爆发生的时间间隔最长。含 5°倾角结构面试件在同一应力路
径下产生的岩爆烈度最弱，岩爆破坏过程持续时间最长，约为 12 s，试件发生前兆破裂事件到发生岩爆的
时间最短。
吝曼卿等 [18] 的研究结果表明，完整类岩体试件在该应力路径下产生岩爆破坏时，试件承受的最大第
一梯度应力为 5.5 MPa。而含缓倾结构面试件在岩爆破坏瞬间所能承受的最大梯度应力下降至 4.5 MPa，
说明缓倾结构面导致试件的有效承载力下降，岩爆孕育阈值明显下降。此外，受结构面影响，试件岩爆
产生的岩爆烈度和爆坑形态也存在差异。试件含结构面时，岩爆主要由岩体结构面附近裂纹的扩展演
化而成 [20] ，破坏范围较小，伴随的震动和声响也相对较小，岩爆产生后，对试件的整体稳定性影响较小。
相反，完整不含结构面试件在同一加载路径下发生岩爆时，岩体卸载面整体发生大规模破坏，震动剧烈，
声响较大，破坏范围相对较大。含缓倾结构面试件的岩爆破坏受结构面控制，结构面的存在使得应力分

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