巖石力學(xué)課件---4巖體的力學(xué)性質(zhì)20061106

1、第第 四四 章章巖巖 體體 的的 力力 學(xué)學(xué) 性性 質(zhì)質(zhì)4-1 巖體的結(jié)構(gòu)巖體的結(jié)構(gòu) 巖體的結(jié)構(gòu)巖體的結(jié)構(gòu)是指巖體中結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的形態(tài)和組合特征。是指巖體中結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的形態(tài)和組合特征。 按巖體被結(jié)構(gòu)面切割程度或結(jié)構(gòu)體的形態(tài)特征，可將巖體按巖體被結(jié)構(gòu)面切割程度或結(jié)構(gòu)體的形態(tài)特征，可將巖體結(jié)構(gòu)劃分為以下幾種基本類型：結(jié)構(gòu)劃分為以下幾種基本類型：巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu) 層狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu) 塊狀結(jié)構(gòu)塊狀結(jié)構(gòu) 碎裂結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)散體結(jié)構(gòu)散體結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu) 薄層狀結(jié)構(gòu)薄層狀結(jié)構(gòu) 鑲嵌結(jié)構(gòu)鑲嵌結(jié)構(gòu)層狀碎裂結(jié)構(gòu)層狀碎裂結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)一、整體結(jié)構(gòu)一、整體結(jié)構(gòu) 巖性單一，節(jié)理不發(fā)育，無軟弱

2、結(jié)構(gòu)面或夾泥，巖性單一，節(jié)理不發(fā)育，無軟弱結(jié)構(gòu)面或夾泥，層面結(jié)合良好，滲流對巖體特性影響不大，結(jié)構(gòu)尺層面結(jié)合良好，滲流對巖體特性影響不大，結(jié)構(gòu)尺寸大于工程尺寸?？梢暈榫|(zhì)、各向同性的連續(xù)介寸大于工程尺寸。可視為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)。質(zhì)。 完整性系數(shù)完整性系數(shù) 0.75 結(jié)構(gòu)面級別結(jié)構(gòu)面級別 、V 結(jié)構(gòu)面間距結(jié)構(gòu)面間距 1m二、塊狀結(jié)構(gòu)二、塊狀結(jié)構(gòu) 節(jié)理發(fā)育，有若干軟弱夾層或貫通微張裂隙將巖節(jié)理發(fā)育，有若干軟弱夾層或貫通微張裂隙將巖體切割成柱狀、塊狀或菱形等結(jié)構(gòu)體。工程范圍內(nèi)，體切割成柱狀、塊狀或菱形等結(jié)構(gòu)體。工程范圍內(nèi)，有兩組以上節(jié)理明顯發(fā)育，構(gòu)成影響工程穩(wěn)定性的有兩組以上節(jié)理明顯發(fā)育，構(gòu)

3、成影響工程穩(wěn)定性的危險巖塊，其尺寸小于工程幾何尺寸。危險巖塊，其尺寸小于工程幾何尺寸。 結(jié)構(gòu)面間距結(jié)構(gòu)面間距 0.51 m 完整性系數(shù)完整性系數(shù) 0.350.75 結(jié)構(gòu)面級別以結(jié)構(gòu)面級別以、V為主為主 三、層狀結(jié)構(gòu)三、層狀結(jié)構(gòu) 由中厚（由中厚（0.10.5 m）及薄層（）及薄層（0.1m）的均一、）的均一、堅硬、軟弱或軟硬相間的沉積巖或沉積變質(zhì)巖形成堅硬、軟弱或軟硬相間的沉積巖或沉積變質(zhì)巖形成的巖體。結(jié)構(gòu)面以層理、片理、節(jié)理為主，往往有的巖體。結(jié)構(gòu)面以層理、片理、節(jié)理為主，往往有層間錯動，結(jié)構(gòu)體呈板狀、片狀互相緊密疊合。工層間錯動，結(jié)構(gòu)體呈板狀、片狀互相緊密疊合。工程范圍內(nèi)，一組節(jié)理明顯發(fā)育，

4、在層內(nèi)具有均一的程范圍內(nèi)，一組節(jié)理明顯發(fā)育，在層內(nèi)具有均一的地質(zhì)特征與力學(xué)特性，屬各向異性、層內(nèi)均質(zhì)的連地質(zhì)特征與力學(xué)特性，屬各向異性、層內(nèi)均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)。續(xù)介質(zhì)。 完整性系數(shù)：層狀完整性系數(shù)：層狀 0.30.6； 薄層狀薄層狀 0.4 結(jié)構(gòu)面級別結(jié)構(gòu)面級別: 層狀層狀 以以、為主；薄層狀為主；薄層狀 、顯著顯著 結(jié)構(gòu)面間距：層狀結(jié)構(gòu)面間距：層狀 0.30.5 m ； 薄層狀薄層狀 0.3 m四、碎裂結(jié)構(gòu)四、碎裂結(jié)構(gòu) 構(gòu)造發(fā)育，各種結(jié)構(gòu)面與斷裂交叉發(fā)育，且多為泥質(zhì)充填。構(gòu)造發(fā)育，各種結(jié)構(gòu)面與斷裂交叉發(fā)育，且多為泥質(zhì)充填。巖體破碎，呈塊狀或片狀，局部裹有堅硬的大塊或條塊狀巖石，巖體破碎，呈塊狀或

5、片狀，局部裹有堅硬的大塊或條塊狀巖石，屬不均一的不連續(xù)介質(zhì)。屬不均一的不連續(xù)介質(zhì)。 巖體巖體完整性系數(shù)完整性系數(shù)結(jié)構(gòu)面間距結(jié)構(gòu)面間距結(jié)構(gòu)面級別結(jié)構(gòu)面級別鑲嵌結(jié)構(gòu)鑲嵌結(jié)構(gòu)0.36 0.5m 、級密集級密集層狀碎裂結(jié)構(gòu)層狀碎裂結(jié)構(gòu)0.4 0.5m 、發(fā)育發(fā)育破碎結(jié)構(gòu)破碎結(jié)構(gòu)0.3 0.5m 五、散體結(jié)構(gòu)五、散體結(jié)構(gòu) 主要為各種劇烈風(fēng)化或擠壓破碎的巖體或主要為各種劇烈風(fēng)化或擠壓破碎的巖體或土體。結(jié)構(gòu)面相當(dāng)發(fā)育，呈網(wǎng)狀，巖體極度土體。結(jié)構(gòu)面相當(dāng)發(fā)育，呈網(wǎng)狀，巖體極度破碎，并混有斷層泥，呈松散堆積或壓密堆破碎，并混有斷層泥，呈松散堆積或壓密堆積。屬松散介質(zhì)。積。屬松散介質(zhì)。 完整性系數(shù)：完整性系數(shù)：2a

6、，矩形截面，矩形截面. 加壓裝置：千斤頂，應(yīng)力枕。加壓裝置：千斤頂，應(yīng)力枕。 （1） 真三軸試驗（真三軸試驗（123)的強度計算的強度計算 在在123狀態(tài)下，某一平面法線的方向余弦為狀態(tài)下，某一平面法線的方向余弦為L,M,N。則。則 法向應(yīng)力：法向應(yīng)力： 剪應(yīng)力：剪應(yīng)力： 因因 可得：可得： 232221NMLn 22232222212nnNML 1222 NML232231212232)(41)()2( Lnn213212322231)(41)()2( Mnn221223132221)(41)()2( Nnn 分別令分別令L，M，N=0，則在，則在-平面坐標(biāo)內(nèi)表示時三個應(yīng)力圓。平面坐標(biāo)內(nèi)表示

7、時三個應(yīng)力圓。 2322232)(41)2( nn2132231)(41)2( nn2212221)(41)2( nn若令若令L= M = N= 則得八面體正應(yīng)力和剪應(yīng)力：則得八面體正應(yīng)力和剪應(yīng)力： 上式可寫為：上式可寫為： 313321 okn213232221)()()(31 okn)(okokf （2）假三軸試驗（）假三軸試驗（1 3 ，23)的強度計算的強度計算 在在1 3 ，23狀態(tài)下，可化為平面問題。狀態(tài)下，可化為平面問題。 法向應(yīng)力：法向應(yīng)力： 剪應(yīng)力：剪應(yīng)力： 由上二式得：由上二式得： 上式在上式在-平面坐標(biāo)內(nèi)表示的曲線是應(yīng)力圓。平面坐標(biāo)內(nèi)表示的曲線是應(yīng)力圓。 其圓心坐標(biāo)為其圓

8、心坐標(biāo)為 ， 半徑為半徑為 2cos223131 n2312231)2()2( nn 2sin231 n)0 ,2(31 )2(31 （3）平面狀態(tài)下的強度計算（）平面狀態(tài)下的強度計算（ 1 3 ，20） 此狀態(tài)側(cè)壓力此狀態(tài)側(cè)壓力20，為雙向應(yīng)力狀態(tài)，為平面問題。其應(yīng)力方，為雙向應(yīng)力狀態(tài)，為平面問題。其應(yīng)力方程與上相同程與上相同 ： 法向應(yīng)力：法向應(yīng)力： 剪應(yīng)力：剪應(yīng)力： 應(yīng)力圓方程：應(yīng)力圓方程： 其圓心坐標(biāo)為：其圓心坐標(biāo)為： 半徑為：半徑為： 2cos223131 n2312231)2()2( nn 2sin231 n)0 ,2(31 )2(31 一、巖體破壞概念一、巖體破壞概念 巖體在一定

9、的應(yīng)力條件下喪失其結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)稱為巖體在一定的應(yīng)力條件下喪失其結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)稱為巖巖體破壞體破壞（喪失承載力和穩(wěn)定性）。巖體結(jié)構(gòu)喪失后（喪失承載力和穩(wěn)定性）。巖體結(jié)構(gòu)喪失后的移動或運動稱為的移動或運動稱為巖體工程結(jié)構(gòu)的破壞巖體工程結(jié)構(gòu)的破壞（影響工程（影響工程使用、報廢）。使用、報廢）。 工程巖體破壞可分為兩個階段工程巖體破壞可分為兩個階段： 1、巖體結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)的喪失：結(jié)構(gòu)面開裂、錯動或、巖體結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)的喪失：結(jié)構(gòu)面開裂、錯動或 滑移；結(jié)構(gòu)體拉伸破壞或剪切破壞；滑移；結(jié)構(gòu)體拉伸破壞或剪切破壞； 2、結(jié)構(gòu)體移動或運動。、結(jié)構(gòu)體移動或運動。4-3 巖體破壞機理巖體破壞機理二、二、 巖體破壞機理巖體破壞機理 （一

10、）拉伸破壞（一）拉伸破壞 1、垂直結(jié)構(gòu)面方向的拉伸破壞。、垂直結(jié)構(gòu)面方向的拉伸破壞。 2、沿結(jié)構(gòu)面方向的拉伸破壞。、沿結(jié)構(gòu)面方向的拉伸破壞。 3、完整巖體的拉伸破壞。、完整巖體的拉伸破壞。 （二）剪切破壞（二）剪切破壞 1、沿結(jié)構(gòu)面的剪切破壞、沿結(jié)構(gòu)面的剪切破壞 2、切穿結(jié)構(gòu)面的剪切破壞、切穿結(jié)構(gòu)面的剪切破壞 巖體變形是評價工程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，也是巖體變形是評價工程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，也是巖體工程設(shè)計的基本原則之一。巖體工程設(shè)計的基本原則之一。 例如建拱壩、有壓隧道應(yīng)考慮？例如建拱壩、有壓隧道應(yīng)考慮？ 巖體變形由巖塊與結(jié)構(gòu)變形組成，結(jié)構(gòu)變形包巖體變形由巖塊與結(jié)構(gòu)變形組成，結(jié)構(gòu)變形包括結(jié)構(gòu)面閉合

11、、充填物壓密及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動或滑動括結(jié)構(gòu)面閉合、充填物壓密及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動或滑動等構(gòu)成。一般情況下，巖體的結(jié)構(gòu)變形起控制等構(gòu)成。一般情況下，巖體的結(jié)構(gòu)變形起控制作用。作用。一般通過現(xiàn)場原位試驗研究巖體變形特性。一般通過現(xiàn)場原位試驗研究巖體變形特性。4-4 巖體的變形特性巖體的變形特性一、巖體的單軸和三軸壓縮變一、巖體的單軸和三軸壓縮變形特性形特性 1、現(xiàn)場巖體的單軸和三軸壓縮試驗、現(xiàn)場巖體的單軸和三軸壓縮試驗的的 全過程曲線全過程曲線 2、典型的巖體、典型的巖體 全過程曲線全過程曲線 可分為可分為 4個階段：個階段： （1）裂隙壓密階段（）裂隙壓密階段（OA）：曲線上凹）：曲線上凹 （2）彈性變形階段（）

12、彈性變形階段（AB）:呈直線呈直線 （3）塑性變形階段（）塑性變形階段（BC）：曲線下凹）：曲線下凹 （4）破壞后階段（）破壞后階段（CD）：）： 殘余強度殘余強度d 峰值強度峰值強度c 3、巖體法向變形曲線的基本形式、巖體法向變形曲線的基本形式 （1）直線型：堅硬、完整無裂隙巖體）直線型：堅硬、完整無裂隙巖體 （2）下凹型：節(jié)理裂隙發(fā)育，泥質(zhì)充填，巖性軟弱）下凹型：節(jié)理裂隙發(fā)育，泥質(zhì)充填，巖性軟弱 （3）上凹型：堅硬但裂隙發(fā)育，多呈張開而無充填物）上凹型：堅硬但裂隙發(fā)育，多呈張開而無充填物 （4）S型型直線型直線型 下凹型下凹型 上凹型上凹型 S S型型 4、巖石與巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線、巖石與

13、巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線二、二、 巖體剪切變形特征巖體剪切變形特征-剪剪應(yīng)力應(yīng)力剪剪應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 巖體的剪切變形是許多巖體工程特別是邊坡工程中最常見巖體的剪切變形是許多巖體工程特別是邊坡工程中最常見的變形模式。的變形模式。 在屈服點之前，在屈服點之前，變形曲線與壓縮變形相似。屈服點以后，變形曲線與壓縮變形相似。屈服點以后，巖體內(nèi)某個結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體可能首先被剪壞，隨之出現(xiàn)一次應(yīng)巖體內(nèi)某個結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體可能首先被剪壞，隨之出現(xiàn)一次應(yīng)力降，峰值前可能出現(xiàn)多次應(yīng)力降。當(dāng)應(yīng)力增加到一定程度，力降，峰值前可能出現(xiàn)多次應(yīng)力降。當(dāng)應(yīng)力增加到一定程度，沒被剪壞部位以瞬間破壞的方式出現(xiàn)，并伴有一次大的應(yīng)力降，沒被剪

14、壞部位以瞬間破壞的方式出現(xiàn)，并伴有一次大的應(yīng)力降，然后可能產(chǎn)生穩(wěn)定滑移。然后可能產(chǎn)生穩(wěn)定滑移。三、巖體各向異性變形特征三、巖體各向異性變形特征 1、特征：、特征： 豎直向分布的節(jié)理巖體變形模量明顯大于水平向分布節(jié)理豎直向分布的節(jié)理巖體變形模量明顯大于水平向分布節(jié)理巖體的變形模量。巖體的變形模量。 2、變形機制不同變形機制不同： （1）垂直層面的壓縮變形量主要由巖塊和）垂直層面的壓縮變形量主要由巖塊和結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面（軟弱夾層）（軟弱夾層）壓壓密密所形成的變形構(gòu)成；層狀巖體不僅開裂層面壓縮變形量大，所形成的變形構(gòu)成；層狀巖體不僅開裂層面壓縮變形量大，而且在成巖過程中，由于沉積規(guī)律的變化，層面出現(xiàn)在礦

15、物連而且在成巖過程中，由于沉積規(guī)律的變化，層面出現(xiàn)在礦物連結(jié)力弱、致密度低的部位，這是垂直層面方向壓縮變形量大的結(jié)力弱、致密度低的部位，這是垂直層面方向壓縮變形量大的另一個原因。另一個原因。 （2）平行層面方向的壓縮變形量主要是巖塊和少量）平行層面方向的壓縮變形量主要是巖塊和少量結(jié)構(gòu)面錯動結(jié)構(gòu)面錯動而而成。成。 3、構(gòu)成巖體變形各向異性的兩個基本要素：、構(gòu)成巖體變形各向異性的兩個基本要素： （1）物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向性）物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向性 （2）節(jié)理、結(jié)構(gòu)面和層面的方向性）節(jié)理、結(jié)構(gòu)面和層面的方向性四、原位巖體變形參數(shù)測定四、原位巖體變形參數(shù)測定 目標(biāo)：測定巖體的變形指標(biāo)目標(biāo)：測定

16、巖體的變形指標(biāo)E、與與關(guān)系。關(guān)系。 巖體現(xiàn)場變形試驗方法：靜力法、動力法（彈性波測巖體現(xiàn)場變形試驗方法：靜力法、動力法（彈性波測量法）量法） 常用的靜力法有：承壓板試驗（千斤頂荷載試驗）、常用的靜力法有：承壓板試驗（千斤頂荷載試驗）、徑向荷載試驗、水壓法等。徑向荷載試驗、水壓法等。 1、表面承壓板試驗、表面承壓板試驗 試驗通常在平巷中進行。試驗點具有代表性，面積以試驗通常在平巷中進行。試驗點具有代表性，面積以0.251.0m2為宜。為宜。（1）試驗裝置）試驗裝置 墊板（承壓板）、加荷裝置（千斤頂或壓力枕）、傳力裝置墊板（承壓板）、加荷裝置（千斤頂或壓力枕）、傳力裝置（傳力支柱、傳力柱墊板）、變

17、形測量裝置（測微計）（傳力支柱、傳力柱墊板）、變形測量裝置（測微計）（2）加荷方式）加荷方式 采用何種加荷方式，可根據(jù)巖采用何種加荷方式，可根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)和工程要求而定。體結(jié)構(gòu)和工程要求而定。 完整巖體：完整巖體： 可采用大循環(huán)加荷方式，以可采用大循環(huán)加荷方式，以確定巖體在不同荷載下的變確定巖體在不同荷載下的變形特性；形特性； 多裂隙巖體：多裂隙巖體： 可采用多循環(huán)或單循環(huán)加荷可采用多循環(huán)或單循環(huán)加荷方式，以了解各種結(jié)構(gòu)面對方式，以了解各種結(jié)構(gòu)面對巖體變形的影響。巖體變形的影響。 (3)、參數(shù)計算、參數(shù)計算 假設(shè)巖體為假設(shè)巖體為彈性半無限空間彈性半無限空間，則巖體表面垂直，則巖體表面垂直位移可根

18、據(jù)彈性理論的布西涅斯克解答求得。位移可根據(jù)彈性理論的布西涅斯克解答求得。 A、圓形柔性墊板、圓形柔性墊板：墊板中心點處的垂直位移墊板中心點處的垂直位移為：為： 式中：式中：P中心荷載；中心荷載；r圓墊板半徑圓墊板半徑ErPW )1(220 墊板的平均位移為：墊板的平均位移為： 式中：式中： A受荷表面的面積；受荷表面的面積；m與墊板形狀、剛度與墊板形狀、剛度及荷載分布情況有關(guān)的系數(shù)及荷載分布情況有關(guān)的系數(shù), 方形板取方形板取0.88，圓形板，圓形板取取0.79 。 如果測得墊板的垂直位移如果測得墊板的垂直位移WO，則可由上式求得，則可由上式求得變形變形模量模量。AEmPW)1(20 B、矩形剛

19、性墊板、矩形剛性墊板：墊板下巖面的垂直位移為：墊板下巖面的垂直位移為： 式中：式中：P中心荷載；中心荷載；a，b矩形墊板的邊長。矩形墊板的邊長。 bbaabababaEabPW222220lnln)1( C、中心帶孔的圓形柔性墊板、中心帶孔的圓形柔性墊板（中心帶孔的壓力枕）：（中心帶孔的壓力枕）：中心點處的垂直位移為中心點處的垂直位移為 式中：式中：P中心荷載；中心荷載；b圓墊板半徑；圓墊板半徑；a中心孔半徑中心孔半徑)()1(220abEPW 設(shè)墊板總變形（位移）量為設(shè)墊板總變形（位移）量為W0,其中彈性變形量為其中彈性變形量為We,塑性塑性變形量為變形量為Wp,則巖體的變形指標(biāo)：則巖體的變

20、形指標(biāo)： 巖體變形模量：巖體變形模量： 巖體彈性模量：巖體彈性模量：式中：式中：p受荷面單位面積上的壓力；受荷面單位面積上的壓力；b承壓板直徑或邊長；承壓板直徑或邊長；與承壓板形狀和剛度有關(guān)的系數(shù)，與承壓板形狀和剛度有關(guān)的系數(shù)，方形板為方形板為0.88，圓形板為，圓形板為0.79；巖體泊松比。巖體泊松比。020)1(WpbE eeWpbE )1(2 彈性模量彈性模量Ee和變形模量和變形模量E0 0eeE00epE 2、鉆孔承壓板法、鉆孔承壓板法表面承壓板法測得的巖體變形表面承壓板法測得的巖體變形模量偏低，這是由于工程巖體模量偏低，這是由于工程巖體表面附近巖體大多發(fā)生了不同表面附近巖體大多發(fā)生了

21、不同程度的松動。為了排除松動的程度的松動。為了排除松動的影響，采用影響，采用孔底承壓板法孔底承壓板法測定巖體變形模量測定巖體變形模量。測定結(jié)果。測定結(jié)果表明：孔底承壓板法測得的原表明：孔底承壓板法測得的原位巖體變形參數(shù)比表面承壓板位巖體變形參數(shù)比表面承壓板試驗測定值高很多，甚至超過試驗測定值高很多，甚至超過一個量級。一個量級。 四、原位巖體變形參數(shù)測定四、原位巖體變形參數(shù)測定-動力法動力法(彈性波法彈性波法) 巖體巖體動彈性模量動彈性模量Ed的測定：的測定： 采用小量藥包爆炸激發(fā)地震波，在距震源一定距離設(shè)采用小量藥包爆炸激發(fā)地震波，在距震源一定距離設(shè)置檢波器，檢測彈性波。根據(jù)彈性波波速算出動彈

22、模置檢波器，檢測彈性波。根據(jù)彈性波波速算出動彈模Ed和和動泊松比動泊松比d。 式中：式中：vp,vs縱波波速和橫波波速，縱波波速和橫波波速，為巖體密度。為巖體密度。 一般而言：一般而言：Ed Ee , d 。dddpdvE 1)21)(1(2)(222222spspdvvvv 一、彈性波在巖體中的傳播特性一、彈性波在巖體中的傳播特性 1、波的概念、波的概念 所謂波是指某種擾動或某種運動參數(shù)或運動狀態(tài)所謂波是指某種擾動或某種運動參數(shù)或運動狀態(tài)參數(shù)（如應(yīng)力、應(yīng)變、振動、溫度、電磁場強度等）參數(shù)（如應(yīng)力、應(yīng)變、振動、溫度、電磁場強度等）的變化在介質(zhì)中的傳播。的變化在介質(zhì)中的傳播。應(yīng)力波就是應(yīng)力在介質(zhì)

23、中應(yīng)力波就是應(yīng)力在介質(zhì)中的傳播的傳播。 巖體對動荷載（爆破等）產(chǎn)生的振動所反映出巖體對動荷載（爆破等）產(chǎn)生的振動所反映出的力學(xué)特性稱為巖體的動力學(xué)特性；彈性波（應(yīng)力的力學(xué)特性稱為巖體的動力學(xué)特性；彈性波（應(yīng)力波、地震波等）在巖體中傳播特性都屬于巖體動力波、地震波等）在巖體中傳播特性都屬于巖體動力學(xué)特性。學(xué)特性。 4-5 巖體的動力學(xué)特性巖體的動力學(xué)特性 應(yīng)力波類型應(yīng)力波類型： （1）彈性波：在彈性介質(zhì)中傳播的波。）彈性波：在彈性介質(zhì)中傳播的波。 （2）粘彈性波：在非線性彈性介質(zhì)中傳播的波。）粘彈性波：在非線性彈性介質(zhì)中傳播的波。 （3）塑性波：應(yīng)力超過彈性極限的波。其傳播速度比）塑性波：應(yīng)力超

24、過彈性極限的波。其傳播速度比彈性波傳播速度小得多，傳播距離也近得多，一般彈性波傳播速度小得多，傳播距離也近得多，一般只在震源附近才觀測得到。只在震源附近才觀測得到。 （4）沖擊波：如果固體介質(zhì)的變形性質(zhì)能使大擾動的）沖擊波：如果固體介質(zhì)的變形性質(zhì)能使大擾動的傳播速度遠大于小擾動的傳播速度，在介質(zhì)中就會傳播速度遠大于小擾動的傳播速度，在介質(zhì)中就會形成形成波頭陡峭的以超聲波傳播的波波頭陡峭的以超聲波傳播的波。 在巖體中傳播的主要是彈性波。在巖體中傳播的主要是彈性波。 2、彈性波的類型、彈性波的類型 按傳播方式與質(zhì)點振動方向關(guān)系分類按傳播方式與質(zhì)點振動方向關(guān)系分類彈性波彈性波體波體波 表面波表面波

25、勒夫波：在表面水平方向作橫向剪切振動勒夫波：在表面水平方向作橫向剪切振動 瑞利波：沿傳播方向的垂直面內(nèi)作橢圓形逆進運動。瑞利波：沿傳播方向的垂直面內(nèi)作橢圓形逆進運動。 縱波（縱波（P P波、壓縮波）：波動傳播方向與質(zhì)點振動方向波、壓縮波）：波動傳播方向與質(zhì)點振動方向一致。一致。 橫波（橫波（S S波、剪切波）：波動傳播方向與質(zhì)點振動方向波、剪切波）：波動傳播方向與質(zhì)點振動方向垂直。垂直。 縱 波橫 波表面波地表震動縱波是推進波，在地殼中傳播速度5.57km/s，最先到達震中，地面發(fā)生上下振動，破壞性較弱； 橫波傳播速度為3.24.0km/s，第二個到達震中，地面發(fā)生前后、左右抖動，破壞性較強；

26、面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波，其波長大、振幅強，只能沿地表面?zhèn)鞑ィ窃斐山ㄖ飶娏移茐牡闹饕蛩亍?按彈性波的頻率分類：按彈性波的頻率分類： 超聲波超聲波：頻率：頻率20kHz. 聲波聲波：頻率為幾千赫茲：頻率為幾千赫茲20kHz，人耳可聽到。，人耳可聽到。 次聲波次聲波：頻率：頻率聲波頻率。聲波頻率。 地震波地震波：頻率為幾十幾百赫茲的彈性波。：頻率為幾十幾百赫茲的彈性波。 3、彈性波的反射與折射、繞射和散射、彈性波的反射與折射、繞射和散射 （1）彈性波在兩種介質(zhì)交界面上的反射和折射）彈性波在兩種介質(zhì)交界面上的反射和折射（2）彈性波的繞射）彈性波的繞射 當(dāng)彈性波碰

27、到障礙物（如裂隙）不能通過而發(fā)當(dāng)彈性波碰到障礙物（如裂隙）不能通過而發(fā)生邊緣繞射。繞射是入射波在障礙物邊緣形成的新生邊緣繞射。繞射是入射波在障礙物邊緣形成的新的波源進一步在巖體中傳播。利用繞射原理可測定的波源進一步在巖體中傳播。利用繞射原理可測定裂隙深度。裂隙深度。（3）彈性波的散射）彈性波的散射 彈性波在傳播過程中遇到不光滑的界面時，而彈性波在傳播過程中遇到不光滑的界面時，而發(fā)生散射?？衫蒙⑸洮F(xiàn)象來觀測巖體內(nèi)部的破碎發(fā)生散射。可利用散射現(xiàn)象來觀測巖體內(nèi)部的破碎程度。程度。 （4）彈性波的疊加）彈性波的疊加 由于彈性波在界面處發(fā)由于彈性波在界面處發(fā) 生反射、折射、繞射和生反射、折射、繞射和

28、散射。對于具有裂隙的散射。對于具有裂隙的 巖體來說，彈性波經(jīng)過一巖體來說，彈性波經(jīng)過一 定距離后，變成一種復(fù)定距離后，變成一種復(fù) 雜的合成波。雜的合成波。 4、彈性波的傳播速度及巖體的動彈性參數(shù)、彈性波的傳播速度及巖體的動彈性參數(shù) （1）縱波和橫波速度）縱波和橫波速度根據(jù)測定的彈性波速度，可計算動彈性參數(shù)：根據(jù)測定的彈性波速度，可計算動彈性參數(shù)：由由(a)式可知，縱波速度大于橫波速度，且有：式可知，縱波速度大于橫波速度，且有： Gvp2 Gvs （a）,)1(2,)21)(1(ddddddEGE 式中：式中：dddpdvE 1)21)(1(2)(222222spspdvvvv ddspvv 2

29、1)1(2 （b）（2）表面波速度（瑞利波波速）表面波速度（瑞利波波速vR) 瑞利波波速瑞利波波速vR是橫波速度的是橫波速度的m倍，倍，m值可按下式確定：值可按下式確定： 式中式中為橫波速度與縱波速度之比，即：為橫波速度與縱波速度之比，即： 若巖體的泊松比為若巖體的泊松比為0.25，則，則 m=0.9194 0)6 . 116()1624(822246 mmm)1(221ddpsvv 5、巖體中彈性波的頻譜特性、巖體中彈性波的頻譜特性 （1）頻譜的概念）頻譜的概念 任何復(fù)雜的周期波形都可視為由許多不同頻率、振幅和相任何復(fù)雜的周期波形都可視為由許多不同頻率、振幅和相位的簡諧波（正弦波）所組成。不

30、同頻率的諧波具有不同的振位的簡諧波（正弦波）所組成。不同頻率的諧波具有不同的振幅譜和相位譜。幅譜和相位譜。 振幅譜振幅譜：將各正弦波的振幅按頻率高低排列，即為振幅譜。：將各正弦波的振幅按頻率高低排列，即為振幅譜。 相位譜相位譜：將各正弦波的初相角按頻率高度排列，即為相位譜。：將各正弦波的初相角按頻率高度排列，即為相位譜。 （2）彈性波頻譜分析）彈性波頻譜分析/9 彈性波的主要參數(shù)有：彈性波的主要參數(shù)有： 最大振幅；持續(xù)時間；振動周期；能量。最大振幅；持續(xù)時間；振動周期；能量。 頻譜分析：頻譜分析：把彈性波分解成多個諧波，以了解把彈性波分解成多個諧波，以了解彈性波的組成成分，對動態(tài)測量資料進行誤

31、差和干彈性波的組成成分，對動態(tài)測量資料進行誤差和干擾信號的分析和修正，對動態(tài)過程的物理量的傳遞、擾信號的分析和修正，對動態(tài)過程的物理量的傳遞、衰減和相關(guān)性進行分析。衰減和相關(guān)性進行分析。 規(guī)律規(guī)律： 彈性波在巖體中傳播，高頻波衰減快，傳播距離短，彈性波在巖體中傳播，高頻波衰減快，傳播距離短，低頻波衰減慢，傳播距離長。低頻波衰減慢，傳播距離長。自然濾波。自然濾波。 6、巖體中彈性波的衰減特性、巖體中彈性波的衰減特性 彈性波在巖體中傳播時，由于裂隙的影響和巖性彈性波在巖體中傳播時，由于裂隙的影響和巖性的變化，在傳播時會出現(xiàn)內(nèi)損耗，使波動具有的機的變化，在傳播時會出現(xiàn)內(nèi)損耗，使波動具有的機械能轉(zhuǎn)化為

32、熱能（彈性波的吸收），使彈性波原有械能轉(zhuǎn)化為熱能（彈性波的吸收），使彈性波原有的機械能發(fā)生衰減。的機械能發(fā)生衰減。 品質(zhì)因素品質(zhì)因素Q：在一周期內(nèi)的總能量與振動消耗的能量：在一周期內(nèi)的總能量與振動消耗的能量之比（相對消耗量）。巖體的品質(zhì)因素越大，所消之比（相對消耗量）。巖體的品質(zhì)因素越大，所消耗的能量越少，越接近完全彈性。耗的能量越少，越接近完全彈性。 品質(zhì)因素品質(zhì)因素Q與衰減系數(shù)與衰減系數(shù)的關(guān)系：的關(guān)系： 式中：式中：=v/f；v波速；波速；f頻率；頻率；波長。波長。)2exp(12 Q二、彈性波探測技術(shù)二、彈性波探測技術(shù) 1、彈性波測試的物理基礎(chǔ)、彈性波測試的物理基礎(chǔ) 巖體雖然不是理想的彈

33、性體，但是，如果作用力巖體雖然不是理想的彈性體，但是，如果作用力小且持續(xù)時間短，相應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)點位移量也非常微小且持續(xù)時間短，相應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)點位移量也非常微小，一般不超過其彈性變形范圍。因此可將巖體作小，一般不超過其彈性變形范圍。因此可將巖體作為為彈性介質(zhì)彈性介質(zhì)來研究。不同性質(zhì)的彈性體，由于其物來研究。不同性質(zhì)的彈性體，由于其物理力學(xué)性質(zhì)不同而彈性波的傳播特性也不同。用人理力學(xué)性質(zhì)不同而彈性波的傳播特性也不同。用人工的方法對巖體激發(fā)彈性波，研究它在巖體中的傳工的方法對巖體激發(fā)彈性波，研究它在巖體中的傳播特性，并根據(jù)其結(jié)果判斷巖體的特性及狀態(tài)。播特性，并根據(jù)其結(jié)果判斷巖體的特性及狀態(tài)。 2、影響彈

34、性波傳播的因素、影響彈性波傳播的因素 （1）結(jié)構(gòu)面的影響）結(jié)構(gòu)面的影響 A、巖體的完整性越差，彈性波速度越低；、巖體的完整性越差，彈性波速度越低； B、張性結(jié)構(gòu)面使波傳播受阻，波速降低；、張性結(jié)構(gòu)面使波傳播受阻，波速降低； C、結(jié)構(gòu)面中充填物具有塑性變形特征，使波能吸收衰減；、結(jié)構(gòu)面中充填物具有塑性變形特征，使波能吸收衰減； D、結(jié)構(gòu)面使波反射、折射、繞射、散射，導(dǎo)致合成波復(fù)雜、結(jié)構(gòu)面使波反射、折射、繞射、散射，導(dǎo)致合成波復(fù)雜化化 E、結(jié)構(gòu)面分布不均勻性或方向性，使各方向的彈性波傳播、結(jié)構(gòu)面分布不均勻性或方向性，使各方向的彈性波傳播速度不等。速度不等。 結(jié)構(gòu)面對彈性波的傳播起著隔波和導(dǎo)波作用，

35、結(jié)構(gòu)面對彈性波的傳播起著隔波和導(dǎo)波作用，彈性波彈性波沿結(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑ニ俣却笥诖怪苯Y(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑ニ俣妊亟Y(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑ニ俣却笥诖怪苯Y(jié)構(gòu)面?zhèn)鞑ニ俣?。?）巖性、地質(zhì)年代、風(fēng)化程度的影響）巖性、地質(zhì)年代、風(fēng)化程度的影響 A、堅硬巖石中彈性波速度高，軟弱巖體中彈性波速度低；、堅硬巖石中彈性波速度高，軟弱巖體中彈性波速度低； B、地質(zhì)年代不同，彈性波傳播的速度不同；、地質(zhì)年代不同，彈性波傳播的速度不同； C、風(fēng)化程度不同，彈性波傳播的速度也不同。新鮮、堅、風(fēng)化程度不同，彈性波傳播的速度也不同。新鮮、堅硬無裂隙巖體，彈性波速度大（硬無裂隙巖體，彈性波速度大（vp=40006000m/s)，顯著，顯著風(fēng)化，粘土化巖體風(fēng)化

36、，粘土化巖體vp=1000m/s 左右；左右； （3）巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響）巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響 A、 壓應(yīng)力狀態(tài)，彈性波速高，拉應(yīng)力狀態(tài)彈性波速低；壓應(yīng)力狀態(tài)，彈性波速高，拉應(yīng)力狀態(tài)彈性波速低； B、 在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，波速隨壓應(yīng)力增大而增加。在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，波速隨壓應(yīng)力增大而增加。（4）溫度的影響）溫度的影響 在低溫或常溫下，以壓力的影響為主；在高溫下，溫在低溫或常溫下，以壓力的影響為主；在高溫下，溫度與壓力對波速起聯(lián)合控制作用，度與壓力對波速起聯(lián)合控制作用，一般隨溫度、壓力升高，一般隨溫度、壓力升高，波速增大。波速增大。 3、彈性波測試、彈性波測試 （1） 主要儀器：彈性波探測儀（聲波儀）

37、主要儀器：彈性波探測儀（聲波儀） 包括發(fā)射系統(tǒng)（發(fā)射機、發(fā)射換能器）和包括發(fā)射系統(tǒng)（發(fā)射機、發(fā)射換能器）和接收系統(tǒng)（接收機和接收換能器）兩大部分。接收系統(tǒng)（接收機和接收換能器）兩大部分。 發(fā)射機發(fā)射機：發(fā)射一定頻率的電脈沖。：發(fā)射一定頻率的電脈沖。 發(fā)射換能器發(fā)射換能器：將電脈沖轉(zhuǎn)換為彈性波（聲波），：將電脈沖轉(zhuǎn)換為彈性波（聲波），對巖體激發(fā)振動。對巖體激發(fā)振動。 接收換能器接收換能器：將接收到的彈性波轉(zhuǎn)換為電磁振：將接收到的彈性波轉(zhuǎn)換為電磁振蕩，送往接收機。蕩，送往接收機。 接收機接收機：將接收到的信號放大，然后送到示波：將接收到的信號放大，然后送到示波器或數(shù)字顯示器。器或數(shù)字顯示器。 （2

38、）四種觸發(fā)方式）四種觸發(fā)方式 A、平面內(nèi)觸發(fā)方式、平面內(nèi)觸發(fā)方式 發(fā)射機發(fā)射出一個電磁振蕩，由發(fā)射換能器將電磁發(fā)射機發(fā)射出一個電磁振蕩，由發(fā)射換能器將電磁振蕩轉(zhuǎn)換為彈性波，向巖體發(fā)射，由接收換能器接收彈振蕩轉(zhuǎn)換為彈性波，向巖體發(fā)射，由接收換能器接收彈性波，并經(jīng)接收機轉(zhuǎn)換為電磁振蕩。性波，并經(jīng)接收機轉(zhuǎn)換為電磁振蕩。 B、平面錘擊外觸發(fā)方式、平面錘擊外觸發(fā)方式 由鐵錘錘擊巖體表面直接產(chǎn)生彈性波，并由發(fā)由鐵錘錘擊巖體表面直接產(chǎn)生彈性波，并由發(fā)射換能器向巖體發(fā)射，由接收換能器接收彈性波，射換能器向巖體發(fā)射，由接收換能器接收彈性波，并經(jīng)接收機轉(zhuǎn)換為電磁振蕩并經(jīng)接收機轉(zhuǎn)換為電磁振蕩C、鉆孔內(nèi)觸發(fā)方式、鉆孔

39、內(nèi)觸發(fā)方式 發(fā)射換能器和接收換能器設(shè)置在鉆孔內(nèi)。借助發(fā)射換能器和接收換能器設(shè)置在鉆孔內(nèi)。借助于耦合劑（一般為水）向孔壁巖體傳遞彈性波，由于耦合劑（一般為水）向孔壁巖體傳遞彈性波，由接收換能器接收彈性波，并經(jīng)接收機轉(zhuǎn)換為電磁振接收換能器接收彈性波，并經(jīng)接收機轉(zhuǎn)換為電磁振蕩。蕩。 D、電火花外觸發(fā)方式、電火花外觸發(fā)方式 這種觸發(fā)方式與鉆孔內(nèi)觸發(fā)方式相同。這種觸發(fā)方式與鉆孔內(nèi)觸發(fā)方式相同。 4、巖體彈性波波速測定、巖體彈性波波速測定 （1）巖塊彈性波速度室內(nèi)測定）巖塊彈性波速度室內(nèi)測定 D、電火花外觸發(fā)方式、電火花外觸發(fā)方式 縱波速度：縱波速度： 橫波速度：橫波速度： 式中：式中：D巖石試件兩端面的

40、間距；巖石試件兩端面的間距； tp、ts縱波和橫波在兩端面間傳播的時間縱波和橫波在兩端面間傳播的時間。 pptDv sstDv （2）巖體彈性波速度的現(xiàn)場測定）巖體彈性波速度的現(xiàn)場測定 D、電火花外觸發(fā)方式、電火花外觸發(fā)方式 縱波速度：縱波速度： 橫波速度：橫波速度： 式中：式中：D聲源和測點間的距離聲源和測點間的距離； tp、ts縱波和橫波傳播的時間?？v波和橫波傳播的時間。 pptDv sstDv 5、巖體彈性波速度測定的應(yīng)用、巖體彈性波速度測定的應(yīng)用 （1）測定巖體動彈性參數(shù)、巖體的完整性和各向異性）測定巖體動彈性參數(shù)、巖體的完整性和各向異性 （2）測定坑洞圍巖松動圈厚度）測定坑洞圍巖松動

41、圈厚度 （3）測定巖柱的穩(wěn)定性）測定巖柱的穩(wěn)定性 （4）測定巖層分布和風(fēng)化破碎情況）測定巖層分布和風(fēng)化破碎情況 （5）測定地層層位）測定地層層位 （6）檢測巖體加固質(zhì)量）檢測巖體加固質(zhì)量三、三、 聲發(fā)射（聲發(fā)射（AE）技術(shù)）技術(shù) 聲發(fā)射（聲發(fā)射（Acoustic Emission）是材料破壞時發(fā)出聲波是材料破壞時發(fā)出聲波的現(xiàn)象。利用這種現(xiàn)象研究巖體的破壞過程和預(yù)報的現(xiàn)象。利用這種現(xiàn)象研究巖體的破壞過程和預(yù)報巖體破壞。巖體破壞。 凱塞效應(yīng)（凱塞效應(yīng)（Kaiser)：當(dāng)巖體受外力作用所產(chǎn)生的應(yīng)當(dāng)巖體受外力作用所產(chǎn)生的應(yīng)力未超過該巖體歷史上曾經(jīng)受過的最大應(yīng)力時，聲力未超過該巖體歷史上曾經(jīng)受過的最大應(yīng)

42、力時，聲發(fā)射活動不明顯，而當(dāng)巖體受外力作用所產(chǎn)生的應(yīng)發(fā)射活動不明顯，而當(dāng)巖體受外力作用所產(chǎn)生的應(yīng)力超過該巖體歷史上曾經(jīng)受過的最大應(yīng)力時，聲發(fā)力超過該巖體歷史上曾經(jīng)受過的最大應(yīng)力時，聲發(fā)射活動突然加劇，而且各個方向受力都如此。這種射活動突然加劇，而且各個方向受力都如此。這種現(xiàn)象稱為凱塞效應(yīng)?，F(xiàn)象稱為凱塞效應(yīng)。 （一）、巖石聲發(fā)射特征（一）、巖石聲發(fā)射特征 1、聲發(fā)射信號特征、聲發(fā)射信號特征 （1）巖石聲發(fā)射具有隨機性，無規(guī)律。）巖石聲發(fā)射具有隨機性，無規(guī)律。 （2）每次聲發(fā)射信號的波形都不完全相同。）每次聲發(fā)射信號的波形都不完全相同。 （3）巖石聲發(fā)射信號有很寬的頻帶，從零點幾上兆）巖石聲發(fā)射信

43、號有很寬的頻帶，從零點幾上兆Hz。 （4）巖石聲發(fā)射的頻譜為分離的尖峰，尖峰出現(xiàn)在某些頻）巖石聲發(fā)射的頻譜為分離的尖峰，尖峰出現(xiàn)在某些頻 率附近，而其他頻率分量為率附近，而其他頻率分量為0，其振幅也是離散的。，其振幅也是離散的。2、巖石破壞聲發(fā)射全過程特征、巖石破壞聲發(fā)射全過程特征 巖石破壞聲發(fā)射全過程的巖石破壞聲發(fā)射全過程的4個階段個階段： （1）開始加載階段（）開始加載階段（AB），原始裂紋閉合，有聲發(fā)射），原始裂紋閉合，有聲發(fā)射信號出現(xiàn)。信號出現(xiàn)。 （2）繼續(xù)加載）繼續(xù)加載(BC），試件產(chǎn)生線性應(yīng)變聲發(fā)射信號逐），試件產(chǎn)生線性應(yīng)變聲發(fā)射信號逐漸上升，但上升幅度較小。漸上升，但上升幅度較小

44、。 （3）裂紋穩(wěn)定擴展階段（）裂紋穩(wěn)定擴展階段（CD）。原始裂紋開始活動，）。原始裂紋開始活動，聲發(fā)射迅速上升。聲發(fā)射迅速上升。 （4）裂紋非穩(wěn)定擴展階段（）裂紋非穩(wěn)定擴展階段（DF）。裂紋擴展速度加快，）。裂紋擴展速度加快，形成宏觀破裂，聲發(fā)射信號突然加劇達到最大。形成宏觀破裂，聲發(fā)射信號突然加劇達到最大。3、聲發(fā)射信號檢測、聲發(fā)射信號檢測 （1）巖石聲發(fā)射檢測參數(shù)）巖石聲發(fā)射檢測參數(shù) A、累計活動（、累計活動（N）：記錄一定時間間隔的聲發(fā)射次數(shù)。）：記錄一定時間間隔的聲發(fā)射次數(shù)。 B、發(fā)射率（、發(fā)射率（NR）：單位時間內(nèi)的聲發(fā)射次數(shù)，即頻率。）：單位時間內(nèi)的聲發(fā)射次數(shù)，即頻率。 C、幅度（

45、、幅度（A）：每一聲發(fā)射事件的最大振幅。）：每一聲發(fā)射事件的最大振幅。 D、發(fā)射能（、發(fā)射能（E）：每一時間段內(nèi)聲發(fā)射振幅的平方。）：每一時間段內(nèi)聲發(fā)射振幅的平方。 E、累計能（、累計能（E）：在一定的時間間隔內(nèi)）：在一定的時間間隔內(nèi)所有聲發(fā)射能的所有聲發(fā)射能的總和總和。 F、能率（、能率（ER）：）：單位時間內(nèi)觀測到的全部聲發(fā)射事件發(fā)單位時間內(nèi)觀測到的全部聲發(fā)射事件發(fā)射能的總和射能的總和。（2）巖石聲發(fā)射信號的表征參數(shù)）巖石聲發(fā)射信號的表征參數(shù) 巖石聲發(fā)射過程特征參數(shù)是巖石破壞失穩(wěn)預(yù)報的基礎(chǔ)。巖石聲發(fā)射過程特征參數(shù)是巖石破壞失穩(wěn)預(yù)報的基礎(chǔ)。 A、事件數(shù)和頻度：事件數(shù)的確定方法有兩種：事件數(shù)的

46、確定方法有兩種： 以第一監(jiān)測周期各種聲發(fā)射的最大振幅以第一監(jiān)測周期各種聲發(fā)射的最大振幅Amax(fi)的平的平均值為閾值，即：均值為閾值，即： 式中：式中：T為第一監(jiān)測周期采樣時間；為采樣間隔為第一監(jiān)測周期采樣時間；為采樣間隔。 凡各列頻譜值達到（凡各列頻譜值達到（1/m）的平均值為閾值即為大事件）的平均值為閾值即為大事件（m為為2,3)。 以某一電壓（以某一電壓（0.5V)為閾值。凡各列頻譜值達到為閾值。凡各列頻譜值達到0.5V者為者為一事件，達到一事件，達到1.5V者為一大事件。者為一大事件。 liifAlA1maxmax1 Tl事件頻度（事件頻度（n）：單位時間的事件數(shù)稱為事件頻度。：單

47、位時間的事件數(shù)稱為事件頻度。 大事件頻度（大事件頻度（nb）：單位時間的大事件數(shù)稱為大事件頻度。：單位時間的大事件數(shù)稱為大事件頻度。 設(shè)某個采樣間隔設(shè)某個采樣間隔i的事件數(shù)為的事件數(shù)為Pi,大事件數(shù)為大事件數(shù)為ri，時間，時間取分鐘為單位，則有：取分鐘為單位，則有： liiPTn160 liibrTn160 B、單個事件的能量（、單個事件的能量（IE）和單位時間聲發(fā)射的能率（）和單位時間聲發(fā)射的能率（E） 單個聲發(fā)射信號的能量單個聲發(fā)射信號的能量IE應(yīng)包含所分析的頻率范圍應(yīng)包含所分析的頻率范圍內(nèi)各種頻率成分的能量之和，即：內(nèi)各種頻率成分的能量之和，即： 式中：式中： m為采樣點數(shù)，為采樣點數(shù)，

48、R為輸入阻抗，為輸入阻抗，A為幅值。為幅值。 每分鐘的能率為：每分鐘的能率為：)(12sARImsE )(60)(60/12/1sATRsITETjTjE （二）、聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用（二）、聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用 1、監(jiān)測預(yù)報巖體的破壞、監(jiān)測預(yù)報巖體的破壞 2、原巖應(yīng)力的測定、原巖應(yīng)力的測定巖體的水力學(xué)特性是巖體與水共同作用所表現(xiàn)出的力學(xué)特性。巖體的水力學(xué)特性是巖體與水共同作用所表現(xiàn)出的力學(xué)特性。一、巖體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)一、巖體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu) 1、巖體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu) 按巖體中地下水賦存條件可將巖體劃分為含水體（層）和隔水體（層）。按巖體中地下水賦存條件可將巖體劃分為含水體（層）和隔水體（

49、層）。 含水體（層）含水體（層）：包括孔隙含水體、裂隙含水體和管道含水體。：包括孔隙含水體、裂隙含水體和管道含水體。 隔水體（層）隔水體（層）：層狀隔水體和塊狀隔水體。：層狀隔水體和塊狀隔水體。 孔隙含水體孔隙含水體：多見于中新生代砂礫巖體中；：多見于中新生代砂礫巖體中； 裂隙含水體裂隙含水體：多存在于構(gòu)造變動劇烈的巖漿巖、變質(zhì)巖及堅硬的沉積巖：多存在于構(gòu)造變動劇烈的巖漿巖、變質(zhì)巖及堅硬的沉積巖中；中；4-6 巖體的水力學(xué)特性巖體的水力學(xué)特性 管道含水體管道含水體：發(fā)育于喀斯特化巖體內(nèi)；：發(fā)育于喀斯特化巖體內(nèi)； 層狀隔水體層狀隔水體：主要在沉積巖內(nèi)，它由軟弱巖層組成，：主要在沉積巖內(nèi)，它由軟弱

50、巖層組成，在構(gòu)造作用下常成塑性變形，斷裂較少或斷裂緊閉；在構(gòu)造作用下常成塑性變形，斷裂較少或斷裂緊閉； 塊狀隔水體塊狀隔水體：一種由不透水巖體組成（如碳酸鹽膠結(jié)：一種由不透水巖體組成（如碳酸鹽膠結(jié)的砂礫巖）；另一種是在地應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)面緊閉的的砂礫巖）；另一種是在地應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)面緊閉的碎裂結(jié)構(gòu)巖體。碎裂結(jié)構(gòu)巖體。2、巖體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類、巖體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類 （1）統(tǒng)一含水體的地下水活動特征）統(tǒng)一含水體的地下水活動特征 常見于沒有隔水巖體的河間地塊巖體中，可以是常見于沒有隔水巖體的河間地塊巖體中，可以是孔隙統(tǒng)一含水體，也可以是裂隙統(tǒng)一含水體?？紫督y(tǒng)一含水體，也可以是裂隙統(tǒng)一含水體。主要靠主要

51、靠大氣降雨補給。也可由河道運流補給大氣降雨補給。也可由河道運流補給。地下水運動方地下水運動方式受巖體結(jié)構(gòu)控制式受巖體結(jié)構(gòu)控制，運動速度受潛水面的，運動速度受潛水面的水力坡降水力坡降和和巖體滲透性巖體滲透性控制?？刂啤?（2）層狀含水體的地下水活動特征）層狀含水體的地下水活動特征 特點：含水體位于兩隔水體之間。其補給、流動、排特點：含水體位于兩隔水體之間。其補給、流動、排泄嚴(yán)格受隔水體控制。泄嚴(yán)格受隔水體控制。 （3）脈狀含水體的地下水活動特征）脈狀含水體的地下水活動特征 特點：主要存在于切割隔水體的特點：主要存在于切割隔水體的斷層破碎帶或結(jié)構(gòu)面斷層破碎帶或結(jié)構(gòu)面內(nèi)。其產(chǎn)狀主要受斷層發(fā)育特征控制

52、。它有很多分枝，內(nèi)。其產(chǎn)狀主要受斷層發(fā)育特征控制。它有很多分枝，成為脈狀地下水系。成為脈狀地下水系。脈狀地下水系往往與統(tǒng)一含水體脈狀地下水系往往與統(tǒng)一含水體和層狀含水體相通和層狀含水體相通，使它們成為脈狀地下水補給、排，使它們成為脈狀地下水補給、排泄場所。泄場所。 （4）管道含水體的地下水活動特征）管道含水體的地下水活動特征 特點：管道含水體主要發(fā)育于喀斯特化巖體內(nèi)，是一特點：管道含水體主要發(fā)育于喀斯特化巖體內(nèi)，是一種喀斯特水，種喀斯特水，主要由大氣降水補給主要由大氣降水補給，沿喀斯特管道流，沿喀斯特管道流動，或以動，或以喀斯特泉的方式排泄喀斯特泉的方式排泄。二、巖體中的滲流二、巖體中的滲流

53、1、巖體的滲透性、巖體的滲透性 滲流：指地下水在裂隙中的流動。滲流：指地下水在裂隙中的流動。 （1）滲透速度（滲流速度）滲透速度（滲流速度)v 式中：式中： Q滲流量，即單位時間內(nèi)通過過水?dāng)嗝娴臐B流體積滲流量，即單位時間內(nèi)通過過水?dāng)嗝娴臐B流體積,(m3/s)。 V滲透速度，滲透速度，m/s 。 A過水?dāng)嗝?，過水?dāng)嗝?，m2 ; AQv （2）滲流基本定律）滲流基本定律 A、達西定律及其適用范圍、達西定律及其適用范圍 式中：式中：I水力坡降；水力坡降；K 滲透系數(shù)，滲透系數(shù)，m/s 。 適用條件：適用條件：層流（線性滲流）層流（線性滲流）B、非線性滲流定律、非線性滲流定律 在在紊流紊流情況下，地下

54、水的滲流服從哲才（情況下，地下水的滲流服從哲才（A.Chezy)公公式：式： 式中：式中：I水力坡降；水力坡降；Kc 紊流時的滲透系數(shù)，紊流時的滲透系數(shù)，m/s 。AIKAlHKQ 或：或：IKAQv lHKvdd IKQc （3）巖體的滲透系數(shù)測定）巖體的滲透系數(shù)測定 B、非線性滲流定律、非線性滲流定律 2種方法：壓水試驗和抽水試驗種方法：壓水試驗和抽水試驗 ：壓水試驗壓水試驗單位吸水量：單位吸水量：滲透系數(shù)滲透系數(shù)K按按巴布什金巴布什金經(jīng)驗公式計算：經(jīng)驗公式計算： 式中：式中：Q耗水量（耗水量（L/min);W單位吸水量，單位吸水量，L/(min.m2)；L試驗段長度試驗段長度(m)；p

55、試驗壓力，試驗壓力，用壓力水頭表示用壓力水頭表示(m)。 r0鉆孔半徑鉆孔半徑(m)；試驗段位置有關(guān)的系數(shù)，試驗段底試驗段位置有關(guān)的系數(shù)，試驗段底至隔水層的距離大于至隔水層的距離大于L時，取時，取0.66，反之，取，反之，取1.32。LpQW 0lg528. 0rLWK ：抽水試驗抽水試驗1，按水位穩(wěn)定：，按水位穩(wěn)定： 穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流抽水試驗；穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流抽水試驗；2，鉆孔是否穿透含水層：，鉆孔是否穿透含水層： 完整孔與非完整孔抽水試驗；完整孔與非完整孔抽水試驗；3，鉆孔數(shù)量，鉆孔數(shù)量:單孔與多孔抽水試驗。單孔與多孔抽水試驗。 潛水含水層單孔完整井穩(wěn)定運動時的滲透系數(shù)可按下潛水含水層單孔

56、完整井穩(wěn)定運動時的滲透系數(shù)可按下式計算（式計算（Dupuit公式）：公式）： 式中：式中：Q單位時間的抽水量，單位時間的抽水量，m3/d； H含水層厚度，含水層厚度，m； h井中水位降落后水層厚度，井中水位降落后水層厚度，m； r抽水井的半徑，抽水井的半徑，m ； R降水影響半徑，降水影響半徑，m； K 滲透系數(shù)，滲透系數(shù)，m/d。2222000.732lnlgQRQRKrHhrHh 2、地下水對巖體穩(wěn)定性的影響、地下水對巖體穩(wěn)定性的影響 （1）軟化、泥化和崩解作用）軟化、泥化和崩解作用 （2）靜水壓力）靜水壓力u作用作用 式中：式中：無水情況下結(jié)構(gòu)面上的正應(yīng)力，無水情況下結(jié)構(gòu)面上的正應(yīng)力，u

57、靜水壓力。靜水壓力。 （3）動水壓力作用）動水壓力作用 式中：式中：I水頭梯度，水頭梯度，w水的重度。水的重度。 tg)(uc Ipwd 一、巖石的熱學(xué)性質(zhì)一、巖石的熱學(xué)性質(zhì) 1、熱容性、熱容性 巖石的熱容性巖石的熱容性就是指進行熱交換時巖石吸收熱量的能力。用就是指進行熱交換時巖石吸收熱量的能力。用比比熱熱和和容積熱容容積熱容兩項指標(biāo)表示。兩項指標(biāo)表示。 比熱（比熱（C)：單位：單位質(zhì)量質(zhì)量巖石溫度變化巖石溫度變化10C時所需輸入的熱量。時所需輸入的熱量。 容積熱容容積熱容(CV)：單位：單位體積體積的巖石，在溫度變化的巖石，在溫度變化10C時所需輸入的熱量。時所需輸入的熱量。 2、導(dǎo)熱性、導(dǎo)熱性 巖石的導(dǎo)熱性就是指傳導(dǎo)熱量的能力，常用巖石的導(dǎo)熱性就是指傳導(dǎo)熱量的能力，常用導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)來度量。來度量。 3、熱膨脹性、熱膨脹性 溫度的變化能改變巖石試件的尺寸和形狀，還會引起巖石內(nèi)部溫度的變化能改變巖石試件的尺寸和形狀，還會引起