岩体动力学和岩体动力工程专题序

周宏伟 范立峰

*(中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083)

†(北京工业大学城市建设学部，北京 100124)

随着我国西部大开发战略和“一带一路”倡议的实施，一大批国家重大基础设施建设如白鹤滩水电站、锦屏二级水电站、南水北调西线工程以及其他岩石工程建设陆续开展。同时能源地下储存、高放核废物的深地质处置、二氧化碳地下封存等岩体工程也引起政府的高度重视，有些已纳入国家发展规划。这些岩体工程建设带来了许多岩石力学前沿课题和亟待解决的工程技术难题，为岩石力学学科提供了前所未有的发展机遇。

岩体工程在施工和服役阶段，地震、爆破等动载荷不可避免会对其造成不同程度的扰动，影响岩体工程稳定性，甚至造成人员伤亡和经济财产损失。岩体工程动态稳定性分析与控制是保障其可持续发展的基础。为了揭示动载荷对岩体工程的影响规律和机理，提高岩体工程动力响应的预测精度，合理评估及控制动载荷作用下岩体工程的稳定性，研究人员基于实测分析、数值模拟、模型试验、理论演绎等方法开展了大量的研究工作，取得了丰硕研究成果，为解决岩体工程稳定性问题提供了科学依据，为推动岩体动力学与岩体动力工程学科发展做出了突出贡献。

《力学与实践》为聚焦岩体动力学和岩体动力工程的最新成果，推动该领域的创新发展，服务国家重大岩体工程的实际需求。本期组织出版“岩体动力学和岩体动力工程”专题。经严格的同行评议，共录用了11 篇研究论文和1 篇综述论文，主要内容简要介绍如下。

为了探究花岗岩在强动载荷条件下的动态力学性能，李干等[1]通过分离式霍普金森压杆和轻气炮系统开展了压杆试验和飞片撞击试验。压杆试验发现花岗岩在较高应变率范围内表现出明显的应变率效应，其强度与应变率近似呈指数关系。飞片撞击试验显示，随着飞片速度增大，冲击波传播速度呈现三段式变化趋势，而试样的可压缩性随加载速度的提高先增强后降低。最后，根据试验数据，提出了适用于强动载荷条件花岗岩的HJC（Holmquist–Johnson–Cook）本构模型、Gruneisen 状态方程和动态屈服强度参数。

在动载荷作用下，岩体会沿节理面发生剪切滑移，诱发岩体滑坡、洞室坍塌等灾害，研究岩石节理的动态剪切行为对地质灾害防治具有重要意义。袁伟等[2]综述了研究岩石节理动态剪切力学特性几种典型的试验系统，重点探讨了非充填岩石节理的动态剪切强度和变形特征，提出了研究动载荷作用下岩石剪切变形需要进一步克服的难题。

红层砂泥岩在爆破、地震等动载荷作用下会产生变形和破坏，进而诱发山体滑坡、隧道坍塌等工程灾害，红层砂泥岩的动力响应研究对工程建设的安全运营有重要影响。李相厚等[3]针对四川地震频发地区广泛分布的红层砂泥岩，通过不同动应力幅值的单轴循环加卸载试验，研究了3种典型红层砂泥岩（粉砂质泥岩、泥粉砂岩和细砂岩）的动力学特性。为了研究动–静载荷耦合作用下红层砂泥岩的力学响应，高永青等[4]对粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和细砂岩等3 种典型微风化红层砂泥岩进行了中等应变率条件下的动三轴压缩试验，揭示了其动力学特性中围压效应和应变率效应的规律。针对红层砂泥岩边坡在建设过程中出现的大规模变形和破坏。熊存洪等[5]以乐山红层砂泥岩为例，通过滤纸法和浸水法等试验方法系统研究了泥岩的水土特征曲线和浸水崩解特征，建立了适用于该地区的水土特征曲线模型，并分析了浸水时间对泥岩崩解质量和颗粒级配的影响。这些研究结果为该地区泥岩的工程建设提供了理论依据和定量数据支持。

在地震、爆破等动载荷作用下，岩体内会产生大量不规则裂隙，影响地层的稳定性，如何高效、快速修复破碎岩体是岩体工程需要解决的难题。吴龙骥等[6]开展了聚丙烯酸酯乳液改性水泥浆液作为注浆材料修复破碎岩体效果的研究。通过单轴抗压强度试验与实际工程中应用的注浆材料进行对比测试，发现聚丙烯酸酯乳液改性水泥浆液具有优秀的单轴抗压强度和韧性。聚丙烯酸酯乳液可改善结石体的孔隙结构，使浆液与岩体之间形成紧密的胶结，可以作为一种有效的注浆材料用于修复破碎岩体。

在深部岩体工程建设中存在大量的地下硐室，研究爆破与地震载荷下地下硐室的动态响应差异对于地下结构支护设计具有重要的工程意义。陶明等[7]研究了爆破和地震对椭圆夹塞体的动态响应差异。通过引入雷克子波和针状波，利用马修函数和波函数展开法，获得了爆破和地震下椭圆夹塞体的瞬态动态应力集中因子的时变解析解。数值结果显示，相较于爆破，地震会更大程度上导致夹塞体与围岩结构的破坏，具有更强的破坏能力。这项研究成果对于理解爆破和地震对地下回采充填体等夹塞体的影响具有重要意义。为探究不同耦合介质爆破裂纹动态扩展特性，王雁冰等[8]通过透射式数字激光焦散线实验系统，开展了水、空气、沙土三种耦合介质的不耦合爆破试验，研究了不同耦合介质爆破后的裂纹形貌、岩石破坏程度。分析了不同耦合介质爆破对裂纹扩展速度、裂纹动态应力强度因子的影响。

超深地层井筒压力波动作用下井壁的突发性失稳严重制约了超深硬岩地层安全钻井。卢运虎等[9]探讨了超深致密砂岩地层井壁动力学失稳问题，考虑了孔隙流体硬岩的压缩性、惯性和黏滞耦合作用，建立了井筒压力波动条件下井周应力分布公式和超深致密硬岩地层井壁坍塌指数的孔隙弹性动力学模型。研究发现，根据孔隙弹性模型预测的地层比传统模型更容易失稳，而高本征频率和最大地应力的地层比一般地层更容易失稳。研究揭示了超深硬岩地层井壁突发性失稳的力学本质，为钻井过程中井筒力控制参数的调整提供了科学依据。

锚杆是岩石工程领域常用的一种加固结构，锚杆的受力特性研究对整体支护结构是稳定性文献具有重要意义。汤旭东等[10]实验研究了锚固单元界面的力学特性，发现砂浆强度直接影响界面的峰值强度和剪切刚度。在相同强度砂浆条件下界面的峰值强度、剪切刚度和残余剪切强度与法向应力成正比。此外，剪切率的增加会导致峰值剪切强度增大，对残余剪切强度影响较小。通过实验结果和非连续变形分析方法的数值模拟，将锚固单元与岩石间界面的分解过程分为“峰前–软化–滑移”三个阶段，并发现不同阶段受不同因素的影响。最后，通过引入实验获得的三线滑移模型曲线到全长锚固锚杆模型的数值模拟，数值试验结果表明较快的拔出速率将影响锚杆的变形能力。

隧道在施工过程中会对地层产生干扰，导致地表发生沉降。在富水地层中，由于地下渗流的作用，导致传统理论预测的地表沉降小于实际地表沉降。韩伟等[11]研究了富水饱和区盾构隧道施工地表沉降计算方法，探讨了在隧道开挖引起地表沉降中广泛应用的随机介质理论的局限性。通过结合地下水渗流理论，提出了一种新的地表沉降计算方法，该方法考虑了开挖扰动和地下渗流对地层的影响。为富水地层中隧道开挖的沉降预测和控制提供了参考。

地震会导致建筑场地发生破坏，引发建筑物开裂、倾斜甚至倒塌，造成严重的经济损失和人员伤亡，定量评价场地破坏对建筑物震害的影响是一个亟需解决的难点问题。费扬等[12]针对钢筋混泥土框架结构地震反应分析考虑地基侧向永久位移的问题进行了研究，分析了地基侧向永久位移对结构震害的影响。这对于定量评估场地破坏对建筑物震害的影响具有重要意义。

岩体动力学和岩体动力工程是与工程应用密切相关的学科，并且随着我国经济建设的发展，目前的理论难以适应日益发展的工程规模和工程复杂性。从上述文章介绍可以看出，我国研究人员为推动岩体动力学与岩体动力工程的发展开展了卓有成效的工作，为岩体工程建设做出了突出贡献，主要涉及岩体动力特性数值模拟与仿真、岩体动力特性测试技术与方法、爆炸及动载破岩的理论与技术等诸多方面的研究工作。希望本专题能为相关领域的研究人员提供参考，为岩体工程动态失稳的监测、预警与防治提供技术支撑。