Page 31 - 《爆炸与冲击》2025年第6期
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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
力条件下结构面的剪切模量与损伤量,结果表明,随着剪应力的增大,初始剪切模量也增大,但初始剪切
模量随时间的降低速度加快,且在稳定蠕变阶段的降低幅度更显著。张为芳 [36] 通过对含有倾斜结构面
的砂岩进行单轴压缩和蠕变试验,发现软弱结构面导致岩体的单轴抗压强度、泊松比和弹性模量降低,
同时增强了岩体的塑性,并削弱了其脆性。张占荣 [37] 基于含规则结构面岩体的变形模量理论公式,考虑
结构面参数的概率分布特征,推导出含随机结构面岩体变形模量的计算公式:
n 2 ñ 2 2 ô
1 ∆ε 1 ∑ cos β i cos β i sin β i
= = + w i,j + (7)
E 0 ∆σ E r S i k ni (σ) k si (σ)
i=1
n w i,j 为统计学参数;n=L /S ,为第 i 组结构
式中: ∆ε 为应变增量; ∆σ 为应力增量;k 为结构面的法向刚度;
m i
的条数,L 为构建模型的边长,S 为结构面之间的间距。
m
i
Wang 等 [38] 对含粗糙结构面岩体进行了动
2 000
态直剪试验,采用 DIC 技术分析了剪切速度和 250 mJ
正应力对粗糙岩体结构面滑移位移的影响,将破 1 500 100 mJ
10 mJ
坏点处的应变作为剪切速度和法向应力的函数, 1 mJ
研究了滑移破坏中剪切带的微观结构特征,了解 Horizontal displacement/mm 1 000
了滑移破坏模式。邓树新等 [39] 发现,冲击扰动
应力在岩体中传播会引发超低摩擦现象,若结构 500
面摩擦力减小到小于结构面剪切力时,则开始滑
移,同时释放大量能量。在水平拉力保持不变的
0 50 100 150 200
情况下,随着冲击能量的增大,岩体所产生的残
t/ms
余水平位移量逐渐增大,如图 10 所示。
图 10 水平位移时程曲线 [39]
由于动态加载条件的复杂性与多样性,岩
Fig. 10 Time history of horizontal displacement [39]
体动力学特性的结构面效应往往呈现显著的非
线性特征 [40-42] 。这种非线性特征主要源于不同的加载路径、频率、幅度以及加载速率对岩体内部应力分
布、裂隙扩展等的综合影响。受结构面效应影响,岩体动力学特性会表现出应力集中、滑移、裂隙萌生
和扩展等复杂现象,导致破坏过程难以预测,破坏模式多样化 [43-44] ,破坏模式如表 2 所示。
表 2 动态加载模式与破坏模式
Table 2 Dynamic loading mode and destruction mode
加载模式 破坏模式
单向加载 滑移破坏,可能伴随局部破裂,导致岩体沿滑动方向错位
多向加载 在多向加载下,破坏模式包括剪切滑移、裂隙扩展和张拉破裂等。局部破裂与滑移相结合,破坏形式更加复杂
循环加载 随着循环次数的增加,滑移幅度逐渐增大,裂隙扩展贯通。局部应力集中区域易发生疲劳破坏,导致局部或整体失稳
低频加载 滑移行为明显,破坏模式主要为沿着弱面发生剪切滑移
高频加载 局部应力集中加剧,滑移伴随裂隙扩展,最终可能导致大规模的结构面失稳
小幅加载 局部滑移和微裂纹扩展,但整体保持相对稳定,破坏较分散且不剧烈
大幅加载 滑移与局部破裂剧烈发生,最终导致整体失稳或坍塌
低速加载 滑移行为较温和,局部破裂扩展缓慢,整体破坏模式可预测
高速加载 破坏过程迅速,滑移和裂隙扩展同时发生,甚至可能形成贯通性裂隙,导致整体坍塌或大规模失稳
由表 2 可知,可将含结构面岩体的破坏模式分为滑移破坏、局部破裂、裂隙贯通和整体失稳 4 类。
滑移破坏是在剪切力主导的情况下,结构面沿着弱面滑移,可能伴随摩擦能量的耗散。接下来,由于应
力集中,发生局部破裂,裂隙逐步扩展至相邻结构面。然后,局部裂隙扩展并最终贯通,形成大规模的贯
通破裂带。由于多次滑移和局部破裂的累积,最终导致整体失稳或坍塌。
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