摘要
深部岩土工程中，对岩体的循环爆破、多点爆破预裂卸压及地震的多次余震等一系列频繁扰动作用会使岩体处于动态循环冲击状态，此外，深部岩体普遍受到水的作用，当岩体受到水与上述频繁扰动共同作用时，岩体动态力学特性会发生较大变化，其稳定性难以确定，为地下岩土工程安全带来较大隐患。因此，本文利用分离式霍普金森压杆试验平台对自然与饱水状态下的砂岩进行不同冲击速度的循环冲击试验，研究自然与饱水砂岩不同冲击速度循环冲击过程中的动态力学特性、能量耗散、破坏模式与损伤的演化规律，根据现场地质条件，设计了顶板爆破预裂卸压参数，并利用数值模拟分析了顶板双孔爆破对岩层的影响。主要结论如下： （1）低速冲击下（1m/s），自然与饱水砂岩循环冲击前期受压密强化影响，动态峰值应力呈先增大后减小的趋势，而冲击速度为2m/s与3m/s时不受此影响，动态峰值应力持续下降。此外，三种冲击速度下，平均应变率、动态峰值应变整体上随着循环冲击次数的增加而增大，而动态弹性模量整体上随循环冲击次数增加而逐渐下降，冲击速度越大，水对砂岩动态力学特性弱化效果就越明显。相同冲击速度下，自然砂岩的动态力学参数均劣于饱水砂岩，且水的劣化作用随着循环冲击次数的增加而增大。 （2）砂岩各循环冲击阶段的总能量中，岩石吸收的能量占入射能量比最大，其次是透射能量和反射能量，但当砂岩内部损伤足够大时，反射能量也会高于透射能量。自然砂岩能量吸收率在冲击速度为1m/s时，随循环冲击次数增加呈增大-减小-再增大的趋势，但在冲击速度为2m/s、3m/s时，则随循环冲击次数增加而增大；饱水砂岩在冲击速度为 1m/s、2m/s 时，能量吸收率随循环冲击次数增加表现为增大-减小的趋势。不同冲击速度下，自然与饱水砂岩累积单位体积吸收能均随循环冲击次数增加而增大，能量透射率随循环冲击次数增加逐渐降低，能量反射率整体随循环冲击次数增加呈上升趋势。相同冲击速度下，饱水砂岩累积单位体积吸收能量、能量反射率始终高于自然砂岩，而能量透射率低于自然砂岩。 （3）低速冲击下（1m/s），自然与饱水砂岩破碎程度相差不大，但随冲击速度增大，砂岩破碎程度越来越高，且相同冲击速度下饱水砂岩破坏程度高于自然砂岩。微观上看，自然砂岩易发生穿晶破坏，饱水砂岩多沿初始裂纹或孔隙破坏。 （4）基于统计损伤理论与回归分析的方法建立了砂岩损伤本构模型，模型总体拟合效果较好，据此计算的损伤变量在冲击速度为 1m/s、2m/s 时，随循环冲击次数增加而增大，但在冲击速度为3m/s时，呈先减小后增大的趋势。相同冲击速度下，饱水砂岩损伤度明显大于自然砂岩。改良后的基于弹性模量计算损伤与动态统计本构计算的损伤对比表明，该公式能较好预测砂岩在循环冲击致破坏时的损伤，可为岩土工程中受到频繁爆破含水岩体稳定性进行预测。根据地质条件设计了顶板爆破预裂卸压参数并进行了双孔爆破模拟，结果表明，自然与饱水岩层爆破后相邻孔间岩体裂隙均发生贯通，但饱水岩层相比自然岩层对孔间岩体破碎效果更好，范围更大。
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