圍壓條件下巖石的動力學(xué)特性

1、圍壓條件下巖石的動力學(xué)特性一.巖石力學(xué)性能的研究1.國外研究狀況在巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域，國外文獻主要集中在巖石靜力學(xué)和斷裂力學(xué)方面的研究，以及 用SHPB裝置對巖石動力學(xué)性能的研究，而對在應(yīng)力環(huán)境下巖石的各項力學(xué)性能的研究還不 多見。茂木清夫（1980）對巖石在一般三軸壓縮下的流動和破壞進行了分析總結(jié)，討論了組 合應(yīng)力狀態(tài)對各向同性及各向異性巖石的流動和破壞的效應(yīng)，認為中間主應(yīng)力的影響不僅在 各向異性巖石里是顯著的，而且在各向同性巖石里也是同樣是顯著的C.S.Chen（1996）利 用巴西測試法研究了各向異性巖石的變形、強度和斷裂特性B.P.Sibiriakov（2002）針對 傳統(tǒng)動力學(xué)的不足

2、，將材料微裂紋尺寸引入分析模型，對遠場應(yīng)力作用下巖石類物質(zhì)的超聲 速和中聲速開裂問題進行了研究。N.Li（2002）對循環(huán)荷載下凍結(jié)裂隙砂巖動疲勞特性進行 了研究。試驗結(jié)果顯示，裂隙砂巖比完整砂巖疲勞效應(yīng)明顯，凍結(jié)作用能減弱試樣的疲勞效 應(yīng)和加載速率效應(yīng)。S.H.Cho等（2003）對花崗巖和凝灰?guī)r動抗拉強度應(yīng)變率效應(yīng)進行了研 究，結(jié)果表明，兩類巖石有動抗拉強度隨應(yīng)變率急速增加，并且認為高應(yīng)變率條件下動抗拉 強度提高是由于相鄰微裂紋應(yīng)力釋放而導(dǎo)致擴展裂紋滯止所致。Muhammad Javid Iqbal（2004）通過對脆性巖石斷裂粗糙度的研究，提出了改進的巖石斷裂測試方法。Valentina

3、 Rocchi等（2004）研究了火山巖在1000 C高溫和30MPa壓力下的力學(xué)性能。結(jié)果表明， 在高溫情況下，低壓對火山巖強度影響甚微，而應(yīng)變率是主要的影響因素。文獻研究了花崗 巖內(nèi)部的裂紋構(gòu)造與其力學(xué)性能的關(guān)系，包括波速、模量、單軸壓縮、拉伸強度和斷裂韌性 等。M.H.B.Nasseri等（2006、2007）的研究表明，裂紋密度、微裂紋長度和斷裂韌性之間 存在很好的相關(guān)性。Yoshikazu等（2009）對在低圍壓條件下的巖石進行了大尺度三軸壓縮 試驗，分析了剪切強度等力學(xué)參數(shù)的變化特征。C.Z.Qi等（2009）提出，在低應(yīng)變率條件 下，巖體的變形與破壞受控于熱激活機制，隨著應(yīng)變率的

4、增加，宏觀黏性起主導(dǎo)控制作用。 應(yīng)變率對巖體強度的影響主要受這兩種機制的綜合作用C.O.Aksoy等（2010）運用數(shù)值方 法對地下工程巖石的變形特征進行了研究。SHPB試驗技術(shù)是研究巖石材料沖擊力學(xué)性能的 重要手段。Bazle A Gama 等（2004）批判地回顧了 B.Hopkinson，R.M Davies 以及 H.Kolsky 的經(jīng)典論述，討論了一維SHPB理論中假設(shè)的有效性和適用性，介紹7SHPB試驗的程序，即 桿的調(diào)試、試件設(shè)計、脈沖整形以及數(shù)據(jù)分析。K.Xia（2007年、2008年）通過SHPB裝置 對花崗巖在動態(tài)壓縮作用下的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)進行了研究。J.P.Zuo

5、等（2008年） 基于斷裂力學(xué)理論研究了巖石類材料的非線性強度準則。J.C.Li等（2009年）運用SHPB 裝置對裂隙巖石進行了動力試驗，研究了應(yīng)力波在裂隙巖體中的傳播規(guī)律，結(jié)果表明，裂隙 寬度和含水量對裂隙巖體的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有較大影響。S.Demirdag等（2010年）運用 液壓伺服壓力試驗機和SHPB裝置對幾種不同巖石進行了試驗，研究了孔隙率、密度和硬度 對巖石靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能的影響。2.國內(nèi)研究狀況自20世紀80年代以來，我國巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域的研究和教育得到蓬勃發(fā)展。巖石力學(xué)研 究工作得到大量試驗數(shù)據(jù)的支持，不僅解決了若干重大工程的巖石力學(xué)問題，而且分析理論 和方法皆有所提

6、高。在若干巖石力學(xué)的問題上，我國巖石力學(xué)專家提出了獨到的見解，受到 了國際巖石力學(xué)界的重視。作為一種特殊的天然材料，受成因和地質(zhì)構(gòu)造的影響，巖石的組織結(jié)構(gòu)極為不均勻，內(nèi)部存 在大量的天然缺陷，而且這些缺陷的分布完全是隨機的，因此可視為一種非均質(zhì)的多相復(fù)合 結(jié)構(gòu)。在受到外界力作用下，彌散在巖石內(nèi)部原有的微缺陷不斷變化，新生微裂紋不斷萌生、 擴展，最后彼此貫通；隨著應(yīng)力或應(yīng)變增加，巖石不斷產(chǎn)生操作損傷，最終形成宏觀裂縫， 這將導(dǎo)致巖石最終失穩(wěn)破壞。巖石變形破壞過程是能量的復(fù)雜轉(zhuǎn)化過程，在巖石應(yīng)力達到峰 值強度前不斷吸收外界的能量，而峰值后破壞則是能量不斷釋放的過程。也就是說，巖石的 變形破壞過程實

7、質(zhì)上是能量耗散和釋放的全過程。許多學(xué)者對巖樣的力學(xué)性能和破壞過程的 能量變化規(guī)律進行了試驗研究，已取得了有價值的研究成果。王武林等通過室內(nèi)大塊度巖石球面波爆炸試驗，用拉格朗日多點測量和分析方法對實測結(jié)果 進行了數(shù)值計算，獲得了大理巖材料在彈塑性區(qū)的本構(gòu)關(guān)系。楊春和（1992年）根據(jù)地質(zhì) 材料的基本特性，提出了一種率性相關(guān)的內(nèi)變量本構(gòu)理論。該理論反映了地質(zhì)材料的演變、 應(yīng)變速率、尺寸及其原位原位損傷等因素的影響。郭少華針對含裂紋巖石壓縮斷裂的性質(zhì)進 行了試驗研究、機理分析和理論模擬，了解并掌握了巖石壓縮斷裂的主要規(guī)律，提出了相應(yīng) 的判據(jù)和模擬模型。左宇軍、李夕兵（2005年）采用低周疲勞加載方法

8、，對紅砂巖在由INSTRON 電液伺服材料試驗機和特制的水平靜壓加載裝置組成的試驗機上進行了一維和二維動靜組 合加載試驗，研究了組合加載條件下紅砂巖在不同水平靜壓和不同豎向靜壓下受不同頻率和 不同幅值動力擾動作用時的力學(xué)響應(yīng)和破壞特征。蘇承東等（2008年）利用伺服試驗機對 大理巖巖樣在不同圍壓下軸向壓縮屈服之后完全卸載，再對損傷巖樣進行單軸壓縮試驗，研 究巖樣在不同圍壓下三軸壓縮的塑性變形量、能耗與損傷巖樣單軸壓縮時的強度、平均模量、 能耗特征的變化規(guī)律。謝和平等（2005年）研究了巖石變形破壞過程中能量耗散、能量釋放、巖石強度、整體破 壞的內(nèi)在聯(lián)系，認為巖石的變形破壞過程實際上就是一個從局

9、部耗散到局部破壞最終到整體 災(zāi)變的過程。尤明慶和華安增（2002年）研究了試樣在三軸加載后保持軸向變形恒定，降 低圍壓破壞的過程中，巖樣實際吸收能量與圍壓的關(guān)系。楊圣奇等（2006年）研究了不同 尺度大理巖樣單軸壓縮變形破壞與能理特征的影響規(guī)律，分析了圍壓對巖樣三軸壓縮變形破 壞與能量的影響規(guī)律。喻勇等（2004年）研究了花崗巖在三點彎曲斷裂、劈裂拉伸、三軸 壓縮及單軸抗壓不同加載方式下的能耗特征。彭瑞東等（2005年）討論了試驗系統(tǒng)彈性儲 能對巖石變形測量的影響。楊圣奇（2007年）利用伺服試驗機對大理巖進行了常規(guī)三軸壓 縮試驗，研究了巖樣三軸壓縮變形破壞及其能量特征。結(jié)果表明，低圍壓時巖樣

10、內(nèi)部材料并 未均勻化，巖石表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性；而高圍壓時巖樣內(nèi)部材料強度由低到高逐漸屈服，變 形趨于均勻，巖石出現(xiàn)塑性流動特性；巖石峰值應(yīng)變與圍壓成正線性關(guān)系，巖石殘余強度對 圍壓的敏感性顯著高于峰值強度；巖石破壞應(yīng)變能隨著圍壓的增大而增大，且兩者成線性關(guān) 系；巖石全部斷裂能隨著圍壓的增加變成正線性增加。張雪穎等（2009年）利用伺服機對 大理巖進行了高圍壓及高圍壓高水壓巖石的卸荷力學(xué)試驗，結(jié)果表明，大理巖峰前卸荷比峰 后卸荷表現(xiàn)出更大的脆性；孔隙水壓力加速了巖石的脆性破裂，降低了巖石的強度，在高圍 壓情況下卸荷比低圍壓卸荷更容易破壞。巖石對動荷載（工程爆破、地下核爆炸和常規(guī)爆炸等）產(chǎn)生的振動

11、所反映出的力學(xué)特性、彈 性波（應(yīng)力波、地震波、聲波和超聲波等）在巖石中的傳播特性都屬于巖石的動力學(xué)特性， 反映在研究領(lǐng)域則表現(xiàn)為研究巖石的動力特性，而巖石動力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展則提供了一個有 力的研究工具。充分掌握巖石和巖體的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)和本構(gòu)關(guān)系，是研究巖石爆破機理、應(yīng) 力波傳播規(guī)律、防護工程設(shè)計以及地震工程、巖石基礎(chǔ)工程等所必需的重要資料。對巖石動 力特性，人們研究得較多的是材料對加載速率的響應(yīng)。文獻44利用高壓動三軸儀，分別以 104MPa/s，103MPa/s，10MPa/s三種加載速率對巖樣進行了加載試驗，獲得了破壞強度與加 載速率的關(guān)系。信禮田等（1996年）利用一級壓縮空氣炮進行高速

12、平面撞擊試驗，分別測 量了砂巖、花崗巖和石灰?guī)r試件組成的靶板中的應(yīng)力脈沖波形，得到了巖石的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系， 了解了巖石在強沖擊荷載下的某些力學(xué)性質(zhì)和變形特征。席道瑛（1995年）、單仁亮（2000 年）利用37mm霍普金森壓桿裝置，分別測試了花崗巖、大理巖和砂巖的單軸沖擊本構(gòu)關(guān)系。 高文學(xué)（2000年）等人研究了脆性巖石在強沖擊荷載下的力學(xué)響應(yīng)特性。采用一級輕氣炮 驅(qū)動的飛片撞擊試驗技術(shù)，測量大理巖試件組成的靶板中的應(yīng)力脈沖波形；應(yīng)用拉氏分析方 法探討巖石在高應(yīng)變率下的力學(xué)性質(zhì)和變形特征，獲得了流場各力學(xué)參量和巖石動態(tài)本構(gòu)關(guān) 系。李海波、趙堅（2001年）對取自新加坡Bukit Timah地區(qū)的

13、巖芯做了動態(tài)壓縮性試驗， 驗，結(jié)果表明，在單軸動荷載作用悄況下巖樣呈錐型破壞?；蚺哑茐暮驮嚇佣瞬磕Σ列?yīng) 結(jié)合），在三軸情況下巖樣呈剪切破壞模式;當(dāng)應(yīng)變速率從10-4S-1增加到10s-i，時，花崗巖的 抗壓強度增加約15%。試驗結(jié)果還表明，花崗巖的彈性模量和泊松比隨應(yīng)變速率的增加沒有 明顯的變化趨勢。趙陽升等（2003年）提出的巖體動力破壞最小能量原理是巖體力學(xué)學(xué)科 重要的科學(xué)命題。謝和平等（2005年）討論了巖石變形破壞過程中能量耗散、能量釋放與 巖石強度和整體破壞的內(nèi)在聯(lián)系。肖大武等（2007年）利用有限元計算和量綱分析的方法， 分析了在SHPB硬質(zhì)材料測試中因試件與桿橫截面積失配而出

14、現(xiàn)的二維效應(yīng)，并提出了平面 二維效應(yīng)和凹面二維效應(yīng)的概念。分析結(jié)果表明.平面二維效應(yīng)的影響可忽略不計，而凹面 二維效應(yīng)的影晌是最主要的。研究結(jié)果對試件與桿在橫截面積失配情況下的SHPB試驗有一 定的指導(dǎo)意義。朱玨等（2007年）認為，在SHPB沖擊試驗中試樣斷裂前的應(yīng)力是否達到均勻， 是沖擊試驗是否有效的一個關(guān)鍵。翟越等（2007年）利用脈沖整形器改進后的分離式SHPB 壓桿系統(tǒng)，對新加坡Bukit Timah地區(qū)的花崗巖圓柱形試樣進行了高應(yīng)變率下的單軸壓縮試 驗。采用多裂紋相互作用的動態(tài)滑移型裂紋模型定量地分析了在不網(wǎng)應(yīng)變率下，材料的微裂 紋的初始長度、角度、初始裂紋間距以及裂紋面的摩擦因數(shù)

15、等微裂紋特征對材料動態(tài)強度及 破碎的影響.將巖石類材料的宏觀動力學(xué)特性與其細觀微結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，合理地解釋了花崗 巖的動態(tài)強度及破碎程度的應(yīng)變率相關(guān)性。張成良（2007年）研究了深部巖體在“三高” 環(huán)境下的力學(xué)特性和開挖卸荷作用下的變形規(guī)律。周小平等（2008年）在考慮深部巖體拉伸破 壞的鑒礎(chǔ)上.提出了一種新的適用于深部巖體的強度準則.李夕兵等（2008年）利用多載荷鑿 巖機、INSTRON系統(tǒng)、SHPB裝置對巖石在不同動靜組合加載下的強度特性、破碎規(guī)律及 吸能效率進行了試驗研究。李夕兵、宮鳳強等（2009年）總結(jié)了三軸SHPB巖石材料動力 學(xué)特性的變化規(guī)律。許金余等（2009年、2010年）利

16、用帶圍壓加載裝置的SHPB系統(tǒng)對不同 巖石的動態(tài)力學(xué)性能進行了試驗研究，分析了在圍壓條件下巖石的動態(tài)力學(xué)性能、能量吸收 特性以及巖石在沖擊荷載循環(huán)作用下的疲勞損傷特性。由于巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度.受載時經(jīng)常會發(fā)生拉伸破壞，并且這種破壞往 往與加載率有關(guān)，因此動態(tài)拉伸強度是巖石力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。其測試方法的研究在 地下工程、軍事防護工程、爆炸力學(xué)性能評估等許多實際問題中都有廣泛的應(yīng)用?？紤]到直 接拉伸試驗受加載條件等限制，因此，巖石的拉伸強度一般由間接拉伸試驗得出。國際巖石 力學(xué)學(xué)會（International Society for Rock Mechanics，簡稱 ISRM）

17、于 1978 年頒布了用巴西圓 盤試樣測量巖石拉伸強度的試驗規(guī)范，即巴西試驗，它被包括中國在內(nèi)的許多國家所采納。 美國材料試驗學(xué)會（American Society for Tesing Material,簡稱ASTM）標(biāo)準也推廣了這種試驗 方法。為避免在加載過程中出現(xiàn)由于局部應(yīng)力集中而使施力點先破壞的不合理模式。王啟智 等人在圓盤中引入了兩個互相平行的平面作為加載面，即平臺巴西圓盤，這樣更能保證試驗 的有效性。李偉等（2005年）提出了獲取脆性材料動態(tài)拉伸強度及彈性模量的試驗步驟及 相關(guān)記錄數(shù)據(jù)的分析方法，利用直徑為100mm的分離式SHPB徑向沖擊巴西圓盤和平臺巴 西圓盤試樣，測試了大理巖

18、在高應(yīng)變率加載下的動態(tài)力學(xué)性能。王啟智等（2007年）基于理 論分析結(jié)果，對平臺巴西圓盤大理巖試樣進行了平臺壓縮試驗，結(jié)果表明，可以從一次有效 的載荷-位移記錄中同時確定脆性巖石的彈性模量、拉伸強度和斷裂韌度。劉世奇、李海波 （2007年）應(yīng)用自行研制的巖石動態(tài)拉伸試驗裝置對花崗巖材料進行了動態(tài)劈裂拉伸、動 態(tài)軸向拉伸以及有側(cè)向壓力的動態(tài)直接拉伸試驗研究和理論研究。結(jié)果表明，花崗巖的動態(tài) 劈裂拉伸強度、臨界拉伸應(yīng)變以及彈性模量均隨著加載速率的增加而增加;在動態(tài)單軸拉伸 情況下，花崗巖的杭拉強度和禪性模母均呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，亦即花崗巖的抗拉強度和彈性 模量均隨應(yīng)變速率的增加而增加，但彈性模量隨應(yīng)

19、變速率的增加幅度小于抗拉強度的增加幅 度。馮峰等（2009年）用中心直裂紋平臺巴西圓盤測試了巖石動態(tài)斷裂韌度的尺寸效應(yīng)。綜合分析國內(nèi)外有關(guān)巖石力學(xué)性能的研究成果，大多是利用伺服試驗機等設(shè)備對巖石試 件進行單軸或三軸準靜態(tài)壓縮試驗，研究其壓縮變形破壞及其能量特征、力學(xué)性能的微觀結(jié) 構(gòu)效應(yīng)，以及用輕氣炮或脈沖整形器改進后的分離式SHPB系統(tǒng)對巖石試件進行高應(yīng)變率下 的單軸壓縮試臉和動態(tài)劈裂拉抻試驗，討論了巖石動態(tài)變形破壞過程中能量耗散、能量釋放 與巖石強度和整體破壞的聯(lián)系。對于在地應(yīng)力環(huán)境（圍壓條件）下巖石的動態(tài)力學(xué)性能的研 究明顯不足。2. 3巖石損傷本構(gòu)模型研究巖石本構(gòu)關(guān)系的損傷力學(xué)研究方法把

20、損傷力學(xué)應(yīng)用于巖石和混凝土的研究最早始于Dougil 1等（1976年）利用斷裂面的概 念對巖石和混凝士的連續(xù)損傷過程進行的分析。他考感了材料內(nèi)裂紋對力學(xué)性能的影響，用 塑性力學(xué)的方法建立了彈脆性、彈塑性和脆彈塑性三種本構(gòu)摸型。以后，損傷力學(xué)在巖石力 學(xué)中的應(yīng)用越來越受到巖石力學(xué)工作者的重視。損傷力學(xué)研究的是含有微缺陷的材料的力學(xué) 性能和損傷的演化規(guī)律.前者反映的是材料的宏觀特征，后者反映的則是材料的微細觀結(jié)構(gòu) 的變化，因此其研究方法也有宏觀和細觀之分。用損傷理論研究巖石本構(gòu)關(guān)系主要有宏現(xiàn)唯 象學(xué)方法、細觀損傷力學(xué)方法、統(tǒng)計學(xué)方法。巖石是一種含原始損傷和缺陷的非均質(zhì)地質(zhì)材料。巖石材料的宏觀破壞

21、現(xiàn)象可看做是許 多微細觀破壞的平均效應(yīng)，損傷力學(xué)和統(tǒng)計分析方法是微細觀力學(xué)研究的有效方法。近年來， 反映巖石在不同圍壓條件下變形破裂全過程的損傷本構(gòu)模型受到人們的普遍關(guān)注，隨著損傷 統(tǒng)計理論的引入，反映在不同圍壓下巖石的變形全過各的巖石本構(gòu)模型研究已取得了長足的 進步。唐春安（1993年）選取加載模量或者卸載模量作為損傷變量，張玉卓（1994年）將 模糊統(tǒng)計方法引入巖石變形與破壞研究過程，并建立了巖石材料的模糊強度理論。Gao Feng 等（1996年）選取軸向應(yīng)力或者剪應(yīng)力作為損傷變量，周維恒等（1997年）以裂隙空間幾 何參數(shù)描述損傷變量，認為損傷變量為裂隙面面積、裂隙面層距、裂隙面中心距

22、的函數(shù)。黃 修云等（2000年）將隨機過程與模糊統(tǒng)計相結(jié)合，研究了隧道周圍巖石的強度。曹文貴等 （2005年）選取各種形式的屈服準則作為損傷變量，然后利用其服從隨機分布以及Lemaitre 應(yīng)變等價性假說建立了能反映巖石應(yīng)變軟化全過程的巖石損傷本構(gòu)模型。通過對這些不同的 損傷變量的選取所建立的巖石損傷統(tǒng)計本構(gòu)模型，從不同的方面為巖石本構(gòu)關(guān)系研究提供了 有價值的參考意義。由于巖石存在初始空隙（即有初始損傷）和巖石在破裂后還存在殘余強 度，而基于假設(shè)的Weibull分布和正態(tài)分布是不能反映巖石的剩余強度特征的。為此，徐衛(wèi) 亞（2002年）、楊圣奇（2004年）、李樹春等（2007年）在上述研究的基

23、礎(chǔ)上，引入損傷修 正參數(shù)，建立了巖石損傷統(tǒng)計本構(gòu)模型。巖石動態(tài)本構(gòu)模型的研究現(xiàn)狀巖石本構(gòu)關(guān)系研究一直是巖石力學(xué)研究的重點與關(guān)鍵點之一。目前對于大多數(shù)巖石力學(xué)問 題，通常采用靜力本構(gòu)模型，而眾多研究表明，巖石在動態(tài)荷載作用下將表現(xiàn)出與在靜力荷 載下不同的變形特性，即便同一試件在不同加載速率下亦將得到不同的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。實 際工程中由地震、工程爆破、武器攻擊等形成的動荷載與靜力荷載更存在著本質(zhì)差別，此時 若仍采用靜力本構(gòu)模型研究巖石的變形特性，顯然是不臺適的。因此，開展巖石動態(tài)本構(gòu)模 型的研究，具有重要的理論價值與工程意義。巖石動態(tài)本構(gòu)模型反映了分析巖體結(jié)構(gòu)對動載荷作用響應(yīng)的基本參數(shù)，巖土類材料

24、的變 形不但與所受應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而且與加載速率有關(guān)?？紤]應(yīng)變率效應(yīng)的本構(gòu)方程的研究大致可以分為四大類：經(jīng)驗和半經(jīng)驗方法。在試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，或在由試驗得出的規(guī)律與某種理 論分析的基礎(chǔ)上，建立表達巖石材料動態(tài)響應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系式。由于巖石性質(zhì)的復(fù)雜性以及動 態(tài)載荷的短暫性，因而實際測試的巖石動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài)多種多樣，公認的經(jīng)驗公 式還較少。機械模型方法。在單軸動應(yīng)力下巖石材料的性質(zhì)類似于由彈性元件和黏性元件按 一定規(guī)則構(gòu)成的模型所具有的性質(zhì)，因此可以根據(jù)這樣的一些模型來描述受動荷載作用的巖 石材料，建立巖石材料受動荷載的微分型本構(gòu)方程.其系數(shù)由試驗確定。代表性的有過應(yīng)力 模型，這種模型雖

25、能反映巖石變形的應(yīng)變率效應(yīng)，但對強度的應(yīng)變率效應(yīng)無法解釋，至于峰 值應(yīng)力以后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系常常無法體現(xiàn)。損傷模型方法。損傷模型方法又包括唯象學(xué)法和細觀力學(xué)方法?；谶B續(xù)損傷力 學(xué)方法的唯象學(xué)模型是采用一個矢量、標(biāo)量或張量的方法定義損傷變量，然后通過損傷變量 建立材料的宏觀本構(gòu)模型。唯象學(xué)方法建立的模型雖能反映全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，但巖石變 形的應(yīng)變率效應(yīng)無法體現(xiàn)。此外，究竟用多少參數(shù)來描述一點的損傷狀態(tài)這一問題仍然沒有 解決，如何確定損傷參數(shù)的演化規(guī)律還存在很大問題。細觀力學(xué)方法是利用損傷斷裂力學(xué)、 細觀力學(xué)、分形等相關(guān)理論方法描述微裂紋的成核、擴展和匯合，并通過微裂紋的成核、擴 展和匯合反映

26、材料宏觀力學(xué)性能的變化。組合模型方法。根據(jù)巖石的變形特性，將上述方法進行組合，從而達到描述巖石 變形規(guī)律的目的。該方法能較真實地反映巖石的變形特性，所以應(yīng)用較多。對于巖石的動態(tài)模型，基本上各種方法都有大量研究。綜觀20世紀70年代之前考慮 應(yīng)變率效應(yīng)的本構(gòu)方程，基本上可以分為兩類，即對數(shù)方程類(c -lg )和指數(shù)方程類(Q 。8 。目前比較成熟而且應(yīng)用較多的巖石動態(tài)本構(gòu)模型有以下幾種：過應(yīng)力模型。根據(jù)文獻155，過應(yīng)力模型最早在1951年就已經(jīng)提出，其中應(yīng)力c 由應(yīng)變和應(yīng)變率決定，但模型中有關(guān)參量的物理意義不夠明確。為此，Lingdholm等(1974 年)又提出了如下所示的過應(yīng)力模型：,

27、c= f() + A ln(-)B式中，A，B為常數(shù)。其物理意義仍不明確。20世紀80年代日本木重教、佐藤一彥、川北捻以及我國的于亞倫等(1992年)根據(jù) 石灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖、磁鐵礦和花崗巖等的試驗結(jié)果，認為巖石的沖擊本構(gòu)特性可以用賓 厄(E.C.Bingham)模型來描述，該模型通常又稱為過應(yīng)力模型，如圖1.3所示。過應(yīng)力模 型的本構(gòu)方程為d1 dc 1 a - S、=+ () ndt E dt t S原始的過應(yīng)力模型認為式(1. 7)參數(shù)E，S分別為靜態(tài)壓縮破壞強度后的彈性模量和 應(yīng)力，經(jīng)過修正的過應(yīng)力模型認為它們對應(yīng)于動載應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線彈性部分的斜率和彈 性極限；n，T為不同巖石的

28、固有常數(shù)。過應(yīng)力模型的明顯缺陷就是不能反映彈性模量隨加 載速率而變化的特征。黏彈性連續(xù)損傷本構(gòu)摸型。鄭永來等(1997年)建議的黏彈性連續(xù)損傷本構(gòu)模型， 首先將巖石粉成某種黏彈性體.再假設(shè)整個黏彈性體在變形過程中受到了連續(xù)損傷，也就是 將黏彈性模型推得的應(yīng)力c(t)用c (t)/(1 -D)取代，c(t)由黏彈性模型確定，D為損傷參量， D = 1-1 /0)n + 1exp-( /0)，為應(yīng)變，0和m是與材料性質(zhì)和形狀相關(guān)的Weibull分 布參數(shù)。如果選擇如圖1.4所示的標(biāo)準線性黏彈性模型，則它的本構(gòu)方程為b (t) = E & + E exp(- -)dx01 091式中，O1 =n /

29、ei。再考慮損傷后，,本構(gòu)方程變?yōu)?&b (t) = (1 - D)E + E Jt exp(- li 7 010 卜 0在恒定變率條件下，(t) = t，式(1.9)可以進一步變?yōu)镋 +sn 1 - exp -+ 11xp -該式可以在一個比較窄的應(yīng)變率范圍內(nèi)模擬本構(gòu)曲線以及強度和彈性模量的應(yīng)變率效應(yīng)，但 無法體現(xiàn)在應(yīng)變率為103 / s時強度和彈性模量的突出增加。為此，他們進一步建議采用廣義 流變模型，損傷的處理與上述方法相同，結(jié)果比較全面地反映了巖石變形的應(yīng)變率效應(yīng)。UL、I冊1 if應(yīng)壽憤犁U 酢用世件枯律性點墨（3）時效損傷模型。單仁亮等（2003年）在上述研究基礎(chǔ)上將統(tǒng)計損傷模型和

30、黏彈性 模型相結(jié)合，建立了巖石沖擊破壞的時效損傷模型，認為巖石單元同時具有統(tǒng)計損傷特性和 黏性液體的特性，把巖石試件看成損傷體Da和黏缸的并聯(lián)體，且黏缸沒有損傷特性， 其本構(gòu)關(guān)系為“b = E expd+門dt對時效損傷模型的本構(gòu)關(guān)系進行數(shù)值計算需要確定4個參數(shù)；E,m,a,n。這4個參數(shù)的 確定往往需要分析實測的應(yīng)變波形，并且不可避免地需要一定的試算。利用時效損傷模型計 算得到的本構(gòu)曲線與試驗數(shù)據(jù)具有較好的一致性，但是該模型不能反映巖石的初始受力狀態(tài) 的變化。1.2.4地下工程圍巖的動態(tài)疲勞損傷累積效應(yīng)研究所謂疲勞損傷累積效應(yīng)，是相對首次破壞而言的。累積損傷概念通常用在材料疲勞斷 裂破壞方面

31、。是指損傷隨荷載作用次數(shù)遞增的過程。因此，巖體在沖擊荷載作用下的累積損 傷效應(yīng)是在多次沖擊作用下?lián)p傷狀態(tài)的動態(tài)疊加過程，同時關(guān)聯(lián)其他性質(zhì)與狀態(tài)指標(biāo)（巖體 物理力學(xué)參數(shù)、巖體完整性、巖體穩(wěn)定狀態(tài)等互動變化，是巖體沖擊動力響應(yīng)的動態(tài)體現(xiàn)。 巖體動態(tài)疲勞損傷累積效應(yīng)所指的“累積效應(yīng)”不同于“累計總和”，井非簡單的幾何或算 術(shù)累加。巖石的動態(tài)損傷、動態(tài)疲勞損傷累積和破碎在國防、人防、礦業(yè)、交通等方面有著廣 泛的應(yīng)用，其中的許多問題，諸如地下防護工程在武器侵徹和爆炸沖擊單次和多次打擊作用 下的防護問題、爆破開挖地下洞室、礦山的巖石破碎以及地震，巖爆等災(zāi)害性自然現(xiàn)象，已 成為巖石力學(xué)與工程界的熱門課題。巖

32、石在沖擊荷載作用下的損傷特性是研究爆炸荷載對巖 石損傷理論的基礎(chǔ)。巖石在三維應(yīng)力狀態(tài)下的破壞現(xiàn)象，早就受到了巖石力學(xué)學(xué)者的關(guān)注。 而巖石在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)性能及損傷規(guī)律已成為探討巖石爆炸和破壞機理、應(yīng)力波傳 播和衰減規(guī)律、地下結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)分析等必不可少的資料。在沖擊荷載作用下，巖體累積 損傷效應(yīng)直接關(guān)系著巖體的穩(wěn)定程度。因此，開展巖石在沖擊荷載下的動態(tài)疲勞損傷累積和 破壞規(guī)律的研究具有重要的理論意義和工程價值。損傷力學(xué)作為斷裂力學(xué)的必然發(fā)展和重要補充，它是近20年發(fā)展起來的一門新的學(xué)科。 它是材料結(jié)構(gòu)的變形與破壞理論的重要組成部分，是在外荷載和環(huán)境的作用下，由于細觀結(jié) 構(gòu)的缺陷（如裂紋、

33、微孔洞等）引起的材料或結(jié)構(gòu)的劣化過程。然而，實際情況是：材料和 結(jié)構(gòu)從開始變形直至破壞，是一個逐漸劣化的過程。隨著外荷載的增加或環(huán)境的作用，其損 傷存在一個量變直至破壞的過程，損傷力學(xué)已發(fā)展成為固體力學(xué)的一個新的分支，并在諸如 復(fù)合材科力學(xué)、巖石力學(xué)與工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。損傷力學(xué)的發(fā)展及其在巖石力學(xué)領(lǐng)域 的應(yīng)用，使我們可以利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法，研究損傷的力學(xué)過程，唯象地考察損傷對巖 石宏觀力學(xué)性質(zhì)的影晌，以及材料和結(jié)構(gòu)損傷演化的過程和規(guī)律。損傷力學(xué)與工程科學(xué)的結(jié) 合以及人們對材料的損傷、破壞過程的正確認識，都要求真正將材料的宏觀力學(xué)特性與其細 觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來，“從材料微觀結(jié)構(gòu)和損傷斷

34、裂過程所反映的復(fù)雜現(xiàn)象中尋找某些特征 參量，建立起與之相應(yīng)的宏觀力學(xué)現(xiàn)象的聯(lián)系”，并易為工程實踐所應(yīng)用。近20年來許多學(xué) 者根據(jù)理論分析和試驗研究提出各種脆性材料動態(tài)損傷模型。特別是近年來關(guān)于沖擊荷栽下 巖石損傷過程的波速衰減規(guī)律，使細觀破壞、宏觀測量與損傷演化過程聯(lián)系起來，開辟了用 聲學(xué)參量表達損傷程度的研究途徑，為拓廣巖石動態(tài)損傷模型研究提供了新的研究思路。巖石爆炸沖擊損傷歷來是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)往的熱點和難點問題之一。在過去的幾十年間， 經(jīng)過各國學(xué)者的不懈努力，這方面的研究取得了很大進展。美國Sandia國家實驗室從20世紀80年代初就開展了巖石損傷效應(yīng)的研究。Taylor， Chen和Kus

35、zmaul引入Oconnell， Budianshy推導(dǎo)的有效體積模量和泊松比與裂紋密度的關(guān) 系表達式和碎塊尺寸表達式。建立了損傷變量與裂紋密度之間的關(guān)系式。Rickett （1988年）， Forsyth（ 1993年），Persson（ 1996年），Raina（2000年）等詳細論述了地下巖體沖擊損傷 評價的必要性和重要意義。Mark和Martyn等（1995年）對孔隙砂巖在三軸狀態(tài)下微裂紋開展 對巖石力學(xué)性能的影響展開研究，初始靜水圍壓的加載會導(dǎo)致壓縮波（P波）波速和剪切波（S 波）波速增加，而隨著巖石內(nèi)部裂紋的開展和膨脹，兩種波速又隨之降低。Sayers等（1995 年）研究了脆性巖

36、石壓縮微裂紋與彈性波速之間的關(guān)系，指出微裂紋擴展、張開會導(dǎo)致彈性 波速降低，可利用彈性波速監(jiān)測巖體損傷發(fā)展；同時，由于微裂紋分布的隨機性，將導(dǎo)致彈 性波傳播的各向異性，Beatriz（1996年）利用光鏡和電鏡掃描技術(shù)對砂巖在三軸壓縮下的 脆性開裂和破碎流動的微觀力學(xué)以及損傷演化進行了試驗研究。Martin等（1997年）研究了 內(nèi)聚力損失和應(yīng)力路徑對脆性巖石強度的影響。加拿大Karami A.等（2000年）研究了爆破 振動反復(fù)加載下巖體的疲勞壽命問題，為預(yù)報圍巖穩(wěn)定性、選擇適當(dāng)支護方法提供了幫助。 Wu和Baud等（2000年）對砂巖壓縮破壞的微觀力學(xué)和各向異性損傷演化的研究表明，塑性 體

37、積應(yīng)變是與最大主壓應(yīng)力平行的微裂紋發(fā)育的結(jié)果，這導(dǎo)致了巖石力學(xué)性能的降低。Otto schulze（2001年）應(yīng)用超聲波監(jiān)測技術(shù)研究了某地下儲庫巖鹽在變形過程中的損傷發(fā)展演化 規(guī)律。N. Gatelier等（2002年）對多孔砂巖進行了準靜態(tài)單軸和代軸狀態(tài)的循環(huán)加載試驗，研 究了各向異性對材料的峰前損傷的影響，定量分析了不可逆應(yīng)變和模量的變化隨累積損傷的 關(guān)系。Meglis等人（2005年）基于超聲速度和振幅對裂紋的敏感性，應(yīng)用超聲層析成像現(xiàn)場測 試方法研究了加拿大原子能地下實驗室隧道開挖誘發(fā)的圍巖損傷問題，得到了圍巖損傷程度 和損傷分布規(guī)律。國內(nèi)開展巖石動態(tài)損傷機制的研究比較晚。劉殿書（1

38、992年）在Kusmaul損傷模型基礎(chǔ) 上，認為巖石材料的損傷只影響單元的抗拉和抗剪能力，損傷發(fā)生后的巖石介質(zhì)仍能有效地 傳遞壓應(yīng)力。根據(jù)該損傷模型，采用二維有限元差分計算程序，模擬了柱狀裝藥的爆破破碎 過程。凌建明（1993年）認為巖體動力損傷研究，必須與動力斷裂、動力強度及應(yīng)力波的損 傷效應(yīng)等聯(lián)系在一起。并以動載作用下巖體的物理力學(xué)特性參數(shù)定義損傷變量。王家來（1995 年）給出了應(yīng)力波作用下巖體累積損傷計算方法。張奇（1997年）認為巖體中的各種結(jié)構(gòu)面可 視為巖石初始損傷的一種表現(xiàn)，并由此導(dǎo)出了結(jié)構(gòu)面對應(yīng)力波峰值衰減的影響。楊軍等（1999 年）通過巖石沖擊損傷試驗并對回收樣品進行超聲波

39、測試，得出應(yīng)力波衰減系數(shù)與損傷變量 以及沖擊損傷耗散能具有線性關(guān)系的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了以應(yīng)力波衰減系數(shù)為主要參量 的巖石損傷模型。楊小林等（2001年）在大理巖中進行了模擬爆破試驗。得到了不同爆心 距和爆破條件下，爆破對巖石損傷破壞作用的一些規(guī)律。朱傳云（2001年）依據(jù)彈性波理 論，在假定爆破前后巖體密度、泊松比近似相等的條件下，建立了聲波波降率、巖體完整性 系數(shù)以及彈性模量損失系數(shù)三者之間的關(guān)系4探討了巖體爆破損傷的判別標(biāo)準。李夕兵、胡 柳青等（2002年）根據(jù)沖擊荷載作用下巖石中的能量耗散規(guī)律與脆性動態(tài)斷裂準則，把應(yīng) 力波作用下的疲勞損傷迭代關(guān)系式應(yīng)用到巖石的破壞后階段，得出沖擊能量

40、、巖石損傷、塊 度分布之間的關(guān)系。尹光志等（2002年根據(jù)脆性煤巖的試驗研究結(jié)果，采用損傷力學(xué)的 原理和方法，建立了脆性煤巖的損傷本構(gòu)模型，對脆性煤巖的損傷力學(xué)特性進行了研究；并 從煤巖損傷力學(xué)角度出發(fā)，研究了煤巖內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化機制，導(dǎo)出了脆性煤巖損傷能量釋放率， 分析了煤層發(fā)生沖擊地壓過程中的能量變化，確定了沖擊地壓發(fā)生的必要條件。高文學(xué)等 （2003年）用一級輕氣炮對巖石在沖擊荷載作用下的破裂損傷耗能規(guī)律進行了研究。陽生 權(quán)（2002年）結(jié)合爆破地震效應(yīng)現(xiàn)場測試，初步研究了爆破地震累積效應(yīng)。赫建明等（2003 年）采用預(yù)制水泥砂漿試塊模型爆炸加載的方式進行試驗，取芯后對爆破損傷巖體進行了抗

41、壓強度檢測以及超聲波檢測，研究了爆炸載荷對預(yù)留巖體的不同位置造成的損傷程度。馬建 軍（2004年）研究了軟巖巷道在周邊爆破反復(fù)作用下的疲勞損傷破壞，探討了圍巖松動圈 擴展量和損傷累積計算方法。李建軍（2005年）利用超聲波探測法對節(jié)理裂隙巖體進行了 聲波測試，通過對節(jié)理裂隙巖體進行爆破漏斗試驗，分析了節(jié)理裂隙對巖體中爆炸應(yīng)力波傳 播、巖石破碎及爆破漏斗形成的影響，得出了一些有益的結(jié)論。林大能等（2005年）為研 究巖石在循環(huán)沖擊荷載作用下?lián)p傷的圍壓效應(yīng)，對大理巖試件在壓力試驗機上進行模擬沖擊 加載，測試受沖擊后試件軸向超聲波波速。用超聲波波速變化量描述了試件的損傷度，分析 了圍壓、荷載沖量大小

42、、沖擊次數(shù)對巖石損傷演化的影響，得出了大理巖在不同圍壓下沖擊 損傷與沖擊次數(shù)的函數(shù)關(guān)系；分析了大理巖巖樣循環(huán)沖擊損傷的圍壓效應(yīng)。結(jié)果表明，巖石 循環(huán)沖擊損傷具有明顯的圍壓效應(yīng)，圍壓的存在提高了巖石抗沖擊破壞的能力。王澤云等（2005年）通過對沖擊荷載作用下巖石的損傷研究，提出用P波波速來定義損傷變量，并 通過大量的試驗數(shù)據(jù)和回歸分析，建立了輝長巖的有效彈性模量與初始損傷變量之間的函數(shù) 關(guān)系式。林大能、陳壽如等（2005年）通過對大理石試件在壓力試驗機上的模擬沖擊加載， 得出了大理石試件的沖擊損傷度與圍壓大小、荷載沖量大小和沖擊次數(shù)的相關(guān)性。結(jié)果表明， 在圍壓相同的情況下，巖石的循環(huán)沖擊損傷與沖

43、擊次數(shù)和荷載沖量有關(guān);當(dāng)荷載沖量相同時， 巖石的循環(huán)沖擊損傷與沖擊次數(shù)和圍壓有關(guān)；圍壓的存在提高了巖石的沖擊紡織品度，降低 了巖石的操作演化速率；圍壓效應(yīng)的顯現(xiàn)與沖擊荷載的等級有關(guān)。尤明慶等（2008年）對 損傷大理巖試樣的力學(xué)特性與縱波速度關(guān)系進行了研究，得出損傷大理巖試樣的縱波速度和 單軸強度、楊氏模量之間具有相關(guān)性。閆長斌（2008年）對三峽花崗巖進行了常規(guī)三軸壓 縮、保持軸向應(yīng)變和保持軸向應(yīng)力的卸圍壓試驗，研究了脆性巖石側(cè)向變形特征及損傷機理。 李夕兵等（2008年）利用多載荷鑿巖機、INSTRON系統(tǒng)、SHPB裝置對巖石在不同動靜組 合加載下的強度特性、破碎規(guī)律及吸能效率進行了試驗研

44、究。張愛輝、蘇承東等2008年） 分別運用RMT伺服試驗機和MTS試驗機對巖石三軸壓縮的塑性變形與能量特征以及損傷 巖石試樣的力學(xué)特性與縱波速度關(guān)系進行了研究。樊秀峰等（2009年）利用電液伺服疲勞 試驗機系統(tǒng)研究了砂巖在單軸受壓循環(huán)荷載作用下的疲勞損傷特性。李祥龍等（2009年） 采用直徑75mm的SHPB實驗裝置以不同子彈長度和不同沖擊速度對巖石試件加載，研究 了應(yīng)力波參數(shù)對巖石材料損傷與破壞的作用規(guī)律。從國內(nèi)外巖石損傷的相關(guān)研究成果不難發(fā)現(xiàn)，其主要結(jié)論大多是在單次沖擊荷載作用、 準靜態(tài)單軸和三軸狀態(tài)的循環(huán)加載試驗下建立的，而在圍壓（地應(yīng)力）狀態(tài)下，巖體受沖擊 荷載循環(huán)作用的動態(tài)疲勞損傷累

45、積效應(yīng)的研究明顯不足。巖體在多次爆炸沖擊荷載作用下的 累積損傷擴展規(guī)律研究是巖石動力學(xué)領(lǐng)域的難點之一，其內(nèi)在機制與演化規(guī)律異常復(fù)雜，許 多問題尚有待深入探索和進一步研究。例如，如何反映沖擊損傷對巖體力學(xué)參數(shù)的弱化效應(yīng)， 如何定量描述在沖擊荷載作用下巖體的累積損傷擴展規(guī)律，如何建立沖擊荷載循環(huán)作用次 數(shù)、巖體累積損傷過程、損傷狀態(tài)與圍壓或地應(yīng)力之間的關(guān)系，這些都需要根據(jù)所研究問題 的特點，從多因素、多角度、多層面開展研究，系統(tǒng)地揭示在沖擊荷載作用下巖體的損傷累 積擴展過程與發(fā)展規(guī)律，尋求有效的、合理的指標(biāo)以建立累積損傷、巖體力學(xué)參數(shù)弱化與巖 體所處地質(zhì)環(huán)境之上，以巖體力學(xué)、損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)等理

46、論為依據(jù)，根據(jù)圍壓狀態(tài)下巖 石試件在沖擊荷載循環(huán)作用下的SHPB試驗結(jié)果，以損傷弱化的巖體力學(xué)參數(shù)為紐帶，對巖 石在沖擊荷載作用下的動態(tài)疲勞損傷累積效應(yīng)展開了深入研究。綜上所述，盡管國內(nèi)外有不少關(guān)于巖石動態(tài)力學(xué)性能以及沖擊波作用效應(yīng)等方面的研 究，但是，關(guān)于在圍壓條件（地應(yīng)力環(huán)境）下巖石的動態(tài)變形和破壞特征的研究、巖石在沖 擊荷載循環(huán)作用下的力學(xué)性能變化、巖石的疲勞損傷累積效應(yīng)、在圍壓條件下巖石破碎過程 的能量耗散規(guī)律和分形特征以及地應(yīng)力對爆炸地沖擊傳播規(guī)律的影響研究等方面均有待進 一步發(fā)展和探索。參考文獻周宏偉，謝和平，左建平.深部高地應(yīng)力下巖石力學(xué)行為研究發(fā)展J.力學(xué)進展，2005, 35

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