裂隙倾角对砂岩动态力学特性、能量演化、破碎分形及细观破坏机制的影响研究

《Scientific Reports》：Study on fractal characteristics of fragmentation and energy dissipation of fissured sandstone under impact loading

　　

摘要

裂隙岩体广泛分布于深部地下工程、边坡工程和采矿作业中。由爆破、地震事件和岩爆等冲击载荷引发的破坏和失稳对工程安全构成严重威胁。本研究制备了具有五个代表性倾角（0°至90°）预制裂隙的砂岩试件，并进行了分离式霍普金森压杆（SHPB）冲击试验。通过结合X射线衍射分析、碎片筛分、分形理论和扫描电子显微镜观察，系统探讨了裂隙倾角对砂岩动态力学特性、能量演化、破碎分形行为和细观破坏特征的调控效应。结果表明，裂隙倾角对砂岩动态力学性能具有显著的单调调控效应。预制裂隙引起的强度劣化随倾角减小而更加明显，其中90°垂直裂隙的弱化效应最弱。冲击能量的演化可分为四个阶段。随着裂隙倾角的增大，反射能量比例单调递减，而透射能量和吸收能量的比例单调递增。破碎砂岩的粒径分布呈现良好的自相似分形特征，破碎程度与裂隙倾角呈正相关。本研究揭示了裂隙倾角控制下的砂岩动态破坏机制，并建立了多尺度关联。研究结果可为裂隙岩体动态稳定性评估、爆破参数优化和地质灾害防治提供理论和实验支持。