Page 30 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 单仁亮，等： 深部岩体结构面动力特性与致灾效应研究进展 第 6 期

τ a j N ( ˙ω n A n ) n j
m j
= (6)
m j
σ n 1+aN ( ˙ω n A n ) n j
τ 为剪切强度，N A n 为归一化应力幅，a 、m 和 j n 为实验获
j
式中： 为应力循环次数， ˙ ω n 为归一化剪切速度， j
取的模型参数。
Zhou 等 [29] 通过依次改变剪切加载速率和法
5 MPa
向应力，在 3 种粗糙度条件下对小尺寸花岗岩试 4
5 MPa
样进行了直接剪切试验，发现剪切加载速率是黏 Path 1
滑效应的主要控制参数，两者之间的相关性可以 3 3 MPa
用幂函数表示；剪切应力降幅随循环时间的延长 Shear stress/MPa 2 3 MPa
呈对数增长。王斐笠等 [30] 对含结构面花岗岩进
行了不同应力路径和速率路径下的直剪试验，结 1 1 MPa 1 MPa Path 2
果如图 8 所示。可以看出：当法向荷载沿路径 1
增加时，剪切应力显著增大，且出现明显阶跃现 0 1 2 3 4
象，法向荷载越高，应力强化越显著；相反，当法 Shear displacement/mm
向荷载沿路径 2 减小时，剪切应力下降，尤其在 图 8 不同应力路径下剪切应力-位移曲线 [30]
最后的剪切阶段出现应力弱化。在相同法向荷 Fig. 8 Shear stress-displacement curves
载 下 ， 不 同 路 径 表 现 出 不 同 的 剪 切 应 力 ： 在 under different stress paths [30]
5 MPa 法向荷载下，路径 1 的剪切应力远高于路径 2；3 MPa 法向荷载下，路径 1 与路径 2 的剪切应力的
差距缩小；1 MPa 法向荷载下，两路径的剪切应力接近。

2.1.2 含结构面岩体的动拉压强度特性
含结构面岩体的动拉压强度在高应力和动态环境下均呈现显著的不同。Zhou 等 [31] 对含结构面岩
体在静-动耦合重复冲击下的力学特性和断裂行为进行了研究，结果表明，随着结构面长度的增加以及重
复冲击次数的增多，结构面岩体的动态强度逐渐减弱。Xiao 等 [32] 采用 SHPB 实验装置和二维数字图像
相关（digital image correlation，DIC）方法，对完整花岗岩试件和不同结构面倾角的花岗岩试件进行了冲击
试验，发现试件的峰值应变和动强度均随轴向静压力的增大而减小，且结构面倾角为 45°和 0°时，峰值应

变、动强度和综合强度均显著降低。Qiu 等 [33] 通
过冲击试验与数值模拟相结合的方法，发现在结 5 Experimental result 1
Fitting curve 1
构面倾角为 0～90°时，拉应力是岩石基体损伤的 4 Experimental result 2
主要原因。 Fitting curve 2
能量的耗散主要发生在裂纹扩展和破坏过 Energy consumption/mJ 3 y=−10 222x +66 007x −
3
2
程中。结构面处的摩擦和滑移会导致能量耗散， 2 141 709x+101 196
使岩体的动强度降低，而岩体动强度的降低往往
3
2
伴随着裂纹的进一步扩展和更多的能量耗散。 1 y=−10 222x +66 007x −
141 709x+101 170
李业学等 [34] 对应力波穿越岩石节理时的能量耗 0
2.06 2.08 2.10 2.12 2.14 2.16
散进行了实验研究，将粗糙结构面转换为对应分 Fractal dimension
形维数，发现能耗的增大幅度随维数的增加而增
图 9 大理岩能耗与维数的关系曲线 [34]
大，且维数与能量耗散之间的关系可以采用三次 Fig. 9 Relation curve between energy dissipation
函数表示，如图 9 所示。 and dimension in marble [34]

2.2 结构面对岩体动变形的影响

变形行为直接反映了材料或结构在受力条件下的适应能力及其力学特性（如弹性、塑性等）的表
现。结构面的存在会使岩体的动态刚度降低，导致岩体变形呈现明显的各向异性和非线性特征，最终导
致裂纹扩展和破坏模式的复杂化。唐红梅等 [35] 通过剪切试验，利用西原模型分阶段分析了在相同正压

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