Page 32 - 《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

3 深部岩体结构面动力特性

3.1 深部岩体结构面与浅部岩体动力特性的对比
深部环境中的高地应力状态对岩体的动力学特性具有重要影响。在高应力条件下，岩体中的结构
面更容易产生应力集中和局部破坏，导致其动力学特性更加复杂。
深部岩体具有高地应力的特性，通常表现为高法向应力、复杂的三维应力状态和高应力集中现象。
深部岩体各方向应力的大小和作用方式不同，使得结构面的动力学特性更具不确定性；高应力集中会导
致结构面出现局部应力集中现象，可能引发滑移失稳或动力灾害。
在深部工程中，人工开挖扰动会对岩体产生显著影响，主要体现在以下 2 个方面：首先是应力梯度
问题，在仅考虑同一方向卸载时，由于高地应力环境的特点，卸载过程较快，导致应力梯度较大，影响范
围广泛，在这种情况下，岩体容易沿结构面发生滑移，从而引发失稳破坏。其次是差应力问题，当考虑
2 个方向的应力变化时，特别是在巷道径向卸载和切向加载的情况下，应力集中现象明显，造成较大的差
应力，会增加岩体破坏的风险。因此，深部工程中应特别关注这 2 种应力变化模式对岩体稳定性的
影响。
在深部高应力条件下，岩体动力学特性的结构面效应与浅部岩体明显不同，主要体现在以下 3 个方
面。(1) 应力状态：在深部岩体中，岩体承受着更高的地应力和复杂的应力场 [45] 。随着埋深的增加，深部
岩体的应力状态趋向于高压和非均匀应力分布，使得结构面在深部岩体中的作用更加突出。相比之下，
浅部岩体通常承受较低的地应力和较简单的应力状态，结构面的影响相对较小。(2) 破坏模式：由于深部
岩体承受的地应力较高，结构面在动态荷载作用下容易诱发大规模的滑移、裂纹扩展和局部破坏，甚至
可能导致岩体整体失稳 [46] ；而浅部岩体的结构面主要表现为小规模的滑移或微裂纹扩展，破坏模式较局
限。深部岩体中的动力灾害（如岩爆、冲击地压等）往往由结构面滑移和破裂的累积效应引发，破坏过程
更复杂且不可预测 [47] 。(3) 变形和能量耗散：在深部岩体中，结构面的变形和能量耗散过程与浅部岩体存
在显著差异。深部岩体由于受围岩约束，变形通常较局限，但随着荷载的增加，结构面可能会经历显著
的滑移和裂纹扩展，导致局部区域应力的急剧释放和能量的迅速耗散 [48-49] 。浅部岩体的变形过程相对较
温和，能量的耗散主要体现在小范围的裂纹扩展和微观滑移中。

3.2 深部岩体结构面动力特性试验

3.2.1 动静组合加载试验
为了模拟深部高应力环境下的结构面动力学行为，学者们开发了真三轴试验系统 [50] ，如图 11 所
示。通过施加高法向应力和剪切应力，研究深部岩体的动力学特性。由于深部岩体自身的高应力状态，
在对其进行分析时需考虑“动静组合加载” [51] 。
李夕兵等 [52] 归纳总结了深部岩体中存在的 3 种扰动类型及其对应的应力路径，并对其进行了试验
分析。杨嘉楠等 [53] 对其进行了整理，得到了深部岩体动静组合加载问题研究思路，如图 12 所示。

True triaxial
pressure chamber
y

x

LVDT

061101-9

σ

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