冲击载荷下岩石节理本构方程及其对应力波传播的影响

The mechanical test of rock joints under impact loading by means of SHPB test system will be doned, which will thoroughly reveal the deformation characteristics of rock joints under impact loading, the failure mechanism and constitutive relationship. Based on the true deformation of the joints, the nonlinear displacement discontinuity model will be established, which reveals the propagation of stress waves across the joints. for this reason, the SHPB test system will first be modified in order to carry on the dynamic mechanical test of the joints under impact loading; then the impact experiment of rock joints with different morphology will be conducted under different loading rate level, and effect of joint surface morphology and loading rate on dynamic deformation,the strength criterion and constitutive relation will be explored. The rate-dependent joint constitutive model coupling joints surface characteristics will be established; finally based on rock joints dynamic constitutive equation,the stress wave propagation model across the joint will be established using nonlinear displacement discontinuity model and verified by experiments. On this basis，parametric studies will be done in order to obtain the effect of joints surface morphology , the stress wave amplitude , frequency, and loading rate and other parameters on the stress wave propagation. The project will provide a new idea for the stress wave propagation arcoss joints, which has important theoretical significance.

从冲击载荷作用下岩石节理的受力特征入手，利用SHPB试验系统，深入揭示冲击载荷作用下岩石节理的变形特性、破坏机理和本构关系，建立基于节理真实变形的非线性位移不连续模型，揭示应力波在节理处的传播规律。为此，首先将对已有的SHPB测试系统进行改进，建立冲击载荷作用下节理动态力学性质测试系统；然后对具有不同形貌特征的岩石节理试样进行不同加载率水平下的动态冲击试验，探讨节理表面形貌特征和加载率对节理动力变形特性、强度准则与本构关系的影响机制，建立耦合节理表面形貌特征的率相关的节理本构模型；最后，基于岩石节理动态本构方程，运用非线性位移不连续模型，建立应力波在宏观节理处的传播模型并进行试验验证，在此基础上，进行参数研究，获得节理表面形貌、应力波幅值、频率和加载率等参数对应力波传播的影响规律。本项目将为节理处应力波传播规律的研究提供一个新的思路和方法，具有重要的理论意义。

天然岩体内存在众多的不连续面，它们对岩体力学性质和岩体中应力波的传播有重大影响。因此，岩体节理动态力学性质和应力波在节理岩体中的传播规律的研究是岩土工程界的热门前沿课题之一。节理的动态力学行为和应力波在节理处的波动效应是一个相互耦合的问题，要获得应力波在岩石节理处传播的正确解，关键是要合理地考虑节理面在应力波传播过程中的受力变形状态。因此相应加载条件下节理力学性质是研究应力波在节理处传播的先决条件。而应力波施加的是动载荷，节理在动载荷作用下的力学性质与静载下的不同。因此，建立一种能真实模拟应力波在节理处传播的方法就显得非常重要，而分离式霍普金森压杆试验系统（SHPB）正好为解决这一问题提供了有力工具。基于此，本项目对不同加载速率下岩石节理力学行为和应力波在节理处的传播规律进行了深入地研究。. 运用MTS和SHPB试验系统，完成了不同加载速率下，锯齿状节理、特定JRC值节理和随机形貌岩石节理的法向闭合变形试验，发现闭合变形曲线具有高度的非线性并且向上弯曲，受表面形貌影响显著，节理闭合压缩试验前后表面形貌参数高度特征参数会减小并分散。通过对不同加载速率下节理法向闭合变形试验结果的分析与处理，发现改进的半对数函数和半指数函数拟合效果最好，建立了基于改进的半对数函数和改进的半指数函数的考虑率效应的节理压缩闭合经验本构模型。通过对应力波与张开节理相互作用过程的分析，建立了应力波在张开节理处传播的简化模型，获得了不同应力波在张开节理处传播时的能量传递系数变化规律。用3DEC对垂直入射一维压缩波在无节理、含一线性变形平面节理、含二平行线性变形平面节理、含一特定形貌的粗糙节理和含夹层的岩体中的传播进行了模拟，获得了应力波有节理处的传播规律，结果表明随着节理粗糙度JRC值的增加，透射系数减小，随加载率增大，节理粗糙度JRC值对应力波透射系数影响减小。