第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)

1、第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.1 概述7.2 巖石與巖體的基本動(dòng)力學(xué)特性7.3 巖石動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)與方法7.4 應(yīng)力波在巖石地層中的傳播7.5 巖體特性與彈性波的傳播7.6 巖體彈性參數(shù)與強(qiáng)度量測(cè)7.7 現(xiàn)場(chǎng)巖體狀態(tài)的評(píng)價(jià)1) 巖石動(dòng)力學(xué)的含義:它是研究巖石和巖體在各種動(dòng)載荷或周期性變化載荷作用下的基本力學(xué)性質(zhì)及其工程效應(yīng)的學(xué)科分支.2) 動(dòng)載荷的分類:地震核武器沖擊與爆炸 防護(hù)工程常規(guī)武器的沖擊與爆炸工程爆破 引起的地面運(yùn)動(dòng);邊坡;巖基;隧洞的動(dòng)力穩(wěn)定列車行進(jìn)中的振動(dòng)-鐵路隧洞,地鐵機(jī)器基礎(chǔ)的振動(dòng)和沖擊水庫(kù)誘發(fā)地震潮汐與風(fēng)浪力-海洋工程巖爆 (沖擊地壓)7.1 概述第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)3) 研究

2、對(duì)象: 巖體和巖石工程的強(qiáng)度,變形和穩(wěn)定性4) 靜動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的差異: 高溫高壓效應(yīng); 動(dòng)載荷作用速率與巖石應(yīng)變速率; 載荷作用時(shí)間短,有負(fù)壓產(chǎn)生 慣性力和巖體內(nèi)阻尼 巖石動(dòng)力強(qiáng)度的提高 動(dòng)力安全系數(shù)的提高5) 巖石動(dòng)力學(xué)的研究范圍: 巖石動(dòng)力特性 巖石在各種動(dòng)力因素作用下所表現(xiàn)的種種效應(yīng)7.1 概述第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)6) 國(guó)內(nèi)的部分研究現(xiàn)狀 防護(hù)工程:同濟(jì)大學(xué) 南京工程兵工程學(xué)院 巖石動(dòng)力學(xué)中心:中科院武漢巖土所 抗震(工民建) 哈爾濱工程力學(xué)所 中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石動(dòng)力學(xué)專業(yè)委員會(huì)7.1 概述第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)1) 動(dòng)靜載荷的劃分2) 應(yīng)變速率對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響a)應(yīng)變率增加

3、, 彈性模量增高,強(qiáng)度增高7.2 巖石與巖體的基本動(dòng)力學(xué)特性第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)b) 圍壓增大,應(yīng)變速率的影響下降C) 快速加載與靜力加載的比較:Richard 加載率 15.9MPa/s 動(dòng)力強(qiáng)度/靜力強(qiáng)度花崗巖 1.27; 玄武巖 1.48; 凝灰?guī)r 1.70;d) 應(yīng)變率界限 :103秒 , 應(yīng)變率對(duì)巖石強(qiáng)度特性影響更顯著e) 孔隙率的影響; N 增加, 應(yīng)變率的影響增加7.2 巖石與巖體的基本動(dòng)力學(xué)特性第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)1) 室內(nèi)試驗(yàn)方法a) 應(yīng)力應(yīng)變的研究靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)氣動(dòng)加載應(yīng)變率可達(dá)10-3-100/s7.3 巖石動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)1) 室內(nèi)試驗(yàn)方法a)

4、應(yīng)力應(yīng)變的研究動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)應(yīng)變率可達(dá) 2*102-5*103/s7.3 巖石動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)1) 室內(nèi)試驗(yàn)方法b) 彈性波測(cè)試C) 沖擊波試驗(yàn)技術(shù) 平面波發(fā)生器7.3 巖石動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)1) 室內(nèi)試驗(yàn)方法b) 彈性波測(cè)試C) 沖擊波試驗(yàn)技術(shù)輕氣炮或壓縮空氣炮試驗(yàn) 沖擊力達(dá)幾千巴至十多萬(wàn)巴,速度0.6-0.8mm/微秒7.3 巖石動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)2) 現(xiàn)場(chǎng)巖體的動(dòng)力特性試驗(yàn)a) 地球物理探測(cè)b) 現(xiàn)場(chǎng)沖擊波試驗(yàn)7.3 巖石動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)應(yīng)力波的傳播取決于: 1) 巖石介質(zhì)內(nèi)在特性; 2) 應(yīng)力波峰值、波形、波長(zhǎng)應(yīng)力波

5、傳播的模型簡(jiǎn)化：強(qiáng)爆炸區(qū)：流體動(dòng)力學(xué)模型，狀態(tài)方程 中等應(yīng)力區(qū):有限變形下,熱與機(jī)械變形耦合的彈塑性模型。低應(yīng)力區(qū): 按彈性模型考慮7.4 應(yīng)力波在巖石地層中的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.4.1 彈性介質(zhì)中的平面應(yīng)力波巖石為彈性介質(zhì),彈性波傳播時(shí)巖石質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程:平面波:是一種理想的近似狀態(tài)，指的是波在傳播過(guò)程中質(zhì)點(diǎn)只能在平行傳播方向運(yùn)動(dòng)，其波陣面是一平面。產(chǎn)生條件：介質(zhì)的橫向尺寸很大，質(zhì)點(diǎn)不能發(fā)生橫向運(yùn)動(dòng)。7.4 應(yīng)力波在巖石地層中的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.4.1 彈性介質(zhì)中的平面應(yīng)力波設(shè)x軸平行于波的傳播方向，則： u=u（x，t） v=w=0 x0 y= z=0，= xx

6、0 ， y= z 0 平面波波動(dòng)方程簡(jiǎn)化為：CP為縱波速度7.4 應(yīng)力波在巖石地層中的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.4.1 彈性介質(zhì)中的平面應(yīng)力波當(dāng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，有 u=v=0 w=w（x，t）橫波運(yùn)動(dòng)方程：橫波速度縱橫波速之比方程的通解為 u=G（x-ct）+H（x+ct）應(yīng)力方程 通解為 7.4 應(yīng)力波在巖石地層中的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.4 應(yīng)力波在巖石地層中的傳播 7.4.1 彈性介質(zhì)中的平面應(yīng)力波其中c=cp , 由虎克定律和平面波的假設(shè) 應(yīng)力方程 通解為 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.4.2 彈塑性介質(zhì)中的平面應(yīng)力波彈塑性介質(zhì)傳播規(guī)律： 載荷足夠大， c 沖擊速度超過(guò)巖

7、石臨界速度, v0= c C0/E 彈性或彈塑性波動(dòng)方程一致，本構(gòu)方程不同。波傳播的基本假設(shè)：體積變形彈性，形狀變形塑性縱波傳播速度彈性段 塑性段7.4 應(yīng)力波在巖石地層中的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.4.3 彈性波的反射與折射當(dāng)應(yīng)力波在巖石中傳播,到達(dá)兩種界面時(shí),產(chǎn)生反射與折射,其規(guī)律服從惠更斯原理反射波折射波 反射應(yīng)力折射應(yīng)力 7.4 應(yīng)力波在巖石地層中的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)abA1A2A3特征阻抗: cp為特征阻抗工程應(yīng)用: 特征阻抗嚴(yán)重失配,指第二種介質(zhì)的阻抗遠(yuǎn)小于第一種介質(zhì)的阻抗時(shí),稱為阻抗嚴(yán)重失配.結(jié)構(gòu)或建筑物的保護(hù),15-25cm的間隙,充填適合的襯墊材料即可.7.4

8、 應(yīng)力波在巖石地層中的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)1. 巖石巖石中彈性波傳播速度與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征密切聯(lián)系.依礦物成分、密度、孔隙度、含水率等的不同而顯著變化。（1）巖石隨密度增加，而波速增加；（2）其波速取決于孔隙度 vf液體飽和了孔隙的波速， vr巖石骨架的波速；（3）含水率的影響，含水率對(duì)彈性波速有明顯影響，vd3000m/s含水率增加波速相應(yīng)增加vd3000m/s 含水率增加波速相應(yīng)下降7.5 巖體特性與彈性波的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.5 巖體特性與彈性波的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)(4) 巖石在壓應(yīng)力作用下, 隨載荷增加,波速增加,波幅衰減 減少;拉應(yīng)力作用下,載荷增加,波速

9、降低,衰減增大.2 . 巖體重點(diǎn):巖體是結(jié)構(gòu)體,巖體內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)面,空洞、破碎帶、等地質(zhì)上的不連續(xù)面,明顯地改變彈性波的傳播行程,具有較強(qiáng)的消能作用. 結(jié)構(gòu)效應(yīng)問(wèn)題尤其重要（1）彈性波 傳播過(guò)程中，遇到裂隙，其波程的特點(diǎn)是：裂隙中為空氣 ： 繞行 其它物質(zhì)：部分穿過(guò)。跨越裂隙的寬度與頻率有關(guān)：頻率高 寬度小 ； 頻率低，寬度大7.5 巖體特性與彈性波的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.5 巖體特性與彈性波的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)（2）彈性波傳播過(guò)程中，遇到空洞時(shí)，隨測(cè)線長(zhǎng)短不同，繞過(guò)同一空洞的視速度也不同，測(cè)線短，繞射劇烈，測(cè)線長(zhǎng)，繞射減弱。（3）巖體加載，裂隙閉合和充填物壓縮，波速增加，

10、增加率取決于初始裂縫體積和壓力（4）巖體傳播彈性波，受成巖條件、結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力等條件影響。垂直層理 波速低平行層理 波速高7.5 巖體特性與彈性波的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.5 巖體特性與彈性波的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.5 巖體特性與彈性波的傳播 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)巖體彈性波 縱波反映巖體壓縮與拉伸變形，受法向剛度控制；橫波反映剪切變形，受剪切剛度控制；根據(jù)實(shí)測(cè)獲得的 VP，VS可計(jì)算泊松比和彈性模量巖石動(dòng)靜彈性模量及波速與靜彈性模量的關(guān)系用動(dòng)力法測(cè)定的彈性模量與用靜力法測(cè)定的彈性模量的比值為1-2；巖石越完整，比值越接近于1。 Ers=vp3 對(duì)砂巖而言：0.4-0.57.

11、6 巖體彈性參數(shù)與強(qiáng)度的量測(cè) 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)巖體動(dòng)靜彈性模量的關(guān)系根據(jù)國(guó)內(nèi)外175個(gè)對(duì)比資料的統(tǒng)計(jì),動(dòng)彈性模量比靜彈性模量高百分之及至幾十倍.但95%以上在1-20之間.85%以上在1-10之間.當(dāng)彈性模量在15000MPa以上時(shí),更為集中.巖體完整性系數(shù) VM2/Vr2Ems=j Emd7.6 巖體彈性參數(shù)與強(qiáng)度的量測(cè) 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)巖體完整性與折減系數(shù)表7.6 巖體彈性參數(shù)與強(qiáng)度的量測(cè) 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)7.6 巖體彈性參數(shù)與強(qiáng)度的量測(cè) 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)巖體動(dòng)靜彈性模量的關(guān)系根據(jù)國(guó)內(nèi)外175個(gè)對(duì)比資料的統(tǒng)計(jì),動(dòng)彈性模量比靜彈性模量高百分之及至幾十倍.但95%以上在1-20之間.85%以上在1-10之間.當(dāng)彈性模量在15000MPa以上時(shí),更為集中.巖體完整性系數(shù) VM2/Vr2Ems=j Emd7.6 巖體彈性參數(shù)與強(qiáng)度的量測(cè) 第 7 章 巖石動(dòng)力學(xué)巖體完整性與折減系數(shù)表巖體彈性波速及其抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性