Page 46 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 刘红岩，等： 考虑裂隙粗糙度的岩体单轴压缩动态损伤模型 第 6 期

2a on rockmass dynamic mechanical property is studied with the parametric sensitivity analysis. The result shows that the
rockmass dynamic climax strength increases from 26.42 MPa to 27.28 and 28.37 MPa with JRC increasing from 0 to 10 and 20
respectively. The rockmass dynamic climax strength increases from 26.24 MPa to 27.28 and 28.80 MPa with φ increasing
b
from 0° to 15° and 30° respectively. The rockmass dynamic climax strength decreases from 31.37 MPa to 27.28 and 23.90
MPa with 2a increasing from 1cm to 2 and 3cm respectively. At the same time, in order to describe the influence of the crack
roughness more accurately, the crack fractal dimension is introduced into the dynamic damage model for the rock mass, which
not only improves the calculation accuracy of the model, but also broadens its application range, which is more convenient for
practical engineering application.
Keywords: the rockmass with the non-persistent crack; crack roughness coefficient; stress intensity factor; JRC-JCS shear
strength model; a uniaxial compressive dynamic damage model

岩体在爆炸、冲击等荷载作用下的动态力学响应研究在岩石爆破、冲击与防护等工程领域均有着
广泛应用，而天然岩体中均含有大量的节理、裂隙（这里统称为裂隙）等天然缺陷，因此裂隙对岩体动态
力学特性的影响机理亟待深入研究。目前众多学者已分别采用理论模型 [1-2] 、模型试验 [3-4] 及数值模拟 [5-6]
等方法研究了裂隙对岩体动态力学特性（如动态强度、刚度及破坏模式等）的影响，结果均表明裂隙的影
响极为重要，不容忽视。同时，为定量描述裂隙对岩体动态力学特性的影响，裂隙的几何参数（如裂隙长
度、倾角和条数等）、强度参数（如裂隙面摩擦角）及变形参数（对于非填充裂隙，为其法向及切向刚度；
对于充填裂隙，为充填物的弹性模量及泊松比）等 3 类参数被引入来定量刻画裂隙对岩体动态力学特性
的影响。由于岩体中的裂隙多属于三、四级结构面，具有数量多、规模小等特点，因而无法逐一考虑其
对岩体力学特性的影响。为此，Kyoya 等 [7] 最早借助损伤力学的方法进行研究，并建立了相应的损伤模
型。根据考虑裂隙参数的不同，目前的裂隙岩体损伤模型主要分为如下 3 类：(1) 仅考虑裂隙几何参数的

损伤模型；(2) 考虑裂隙几何及强度参数的损伤模型；(3) 同时考虑裂隙几何、强度及变形参数的损伤模
型。第 1 类模型最有代表性的是 Kawamoto 等 [8] 和 Swoboda 等 [9] 提出的损伤模型，其仅采用裂隙几何参
数（如裂隙表面积及方位等）来考虑裂隙对岩体造成的损伤，而未考虑裂隙摩擦角等强度参数的影响，其
假设条件是裂隙无法传递应力，这对承受拉应力的裂隙来说是合理的，而当裂隙受压闭合时，其可以传
递部分压应力及剪应力。为此，Swoboda 等 [9] 又引入裂隙传压及传剪系数对其进行修正。第 2 类模型最
具有代表性的是 Li 等 [10] 和 Liu 等 [11] 针对受压闭合裂隙的受力特点，基于损伤及断裂理论的能量原理，
提出的能够同时考虑裂隙几何及强度参数的岩体损伤模型。而后，刘红岩等 [12] 又在此基础上引入裂隙
变形参数，提出了同时考虑裂隙几何、强度及变形参数的岩体损伤模型，即第 3 类模型。至此，裂隙岩体
损伤模型的研究也日趋完善。
虽然裂隙岩体损伤模型的研究已取得了丰硕成果，但是上述研究仅局限于平直裂隙，即认为裂隙
为平直的，而未考虑裂隙粗糙度等几何参数对岩体力学特性的影响。然而，由于天然岩体中的裂隙是
由地质构造作用产生，因而均是粗糙起伏的，其粗糙程度可用裂隙或节理粗糙度系数（joint roughness
coefficient, JRC）来表征。目前大量研究表明裂隙粗糙度对岩体力学特性有着重要影响，如杨圣奇等 [13]
通过 3D 打印制作了含不同粗糙度裂隙的岩石试样，三轴压缩试验结果表明 JRC 严重影响破坏裂纹的形
态、数量和空间分布特征，且随着 JRC 的增大，裂隙面抗剪强度及尖端起裂强度均随之增加。 王本鑫等 [14]
的研究也表明裂隙粗糙度将导致岩体强度的各向异性更为显著。Kim 等 [15] 亦发现岩质边坡稳定性也随
着 JRC 的增加而提高。而最早对裂隙粗糙度展开系统研究的是 Barton [16] ，首次提出了裂隙粗糙度系数

JRC 的概念，而后又提出了 0～20 的 JRC 标准轮廓曲线以定量刻画裂隙面的粗糙度，但是这种方法误差
较大。近年来，很多学者采用分形维数 [17-18] 来描述裂隙面的粗糙度，为研究提供了极大便利。Barton [16]
还提出了著名的粗糙裂隙抗剪强度计算公式，即 JRC-JCS（joint wall compressive strength）模型，这为岩体
力学特性研究奠定了基础。

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