第 7 章 岩石动力学

1、第 7 章 岩石动力学7.1 概述7.2 岩石与岩体的基本动力学特性7.3 岩石动力试验技术与方法7.4 应力波在岩石地层中的传播7.5 岩体特性与弹性波的传播7.6 岩体弹性参数与强度量测7.7 现场岩体状态的评价1) 岩石动力学的含义:它是研究岩石和岩体在各种动载荷或周期性变化载荷作用下的基本力学性质及其工程效应的学科分支.2) 动载荷的分类:地震核武器冲击与爆炸 防护工程常规武器的冲击与爆炸工程爆破 引起的地面运动;边坡;岩基;隧洞的动力稳定列车行进中的振动-铁路隧洞,地铁机器基础的振动和冲击水库诱发地震潮汐与风浪力-海洋工程岩爆 (冲击地压)7.1 概述第 7 章 岩石动力学3) 研究

2、对象: 岩体和岩石工程的强度,变形和稳定性4) 静动力学问题的差异: 高温高压效应; 动载荷作用速率与岩石应变速率; 载荷作用时间短,有负压产生 惯性力和岩体内阻尼 岩石动力强度的提高 动力安全系数的提高5) 岩石动力学的研究范围: 岩石动力特性 岩石在各种动力因素作用下所表现的种种效应7.1 概述第 7 章 岩石动力学6) 国内的部分研究现状 防护工程:同济大学 南京工程兵工程学院 岩石动力学中心:中科院武汉岩土所 抗震(工民建) 哈尔滨工程力学所 中国岩石力学与工程学会岩石动力学专业委员会7.1 概述第 7 章 岩石动力学1) 动静载荷的划分2) 应变速率对岩石力学性质的影响a)应变率增加

3、, 弹性模量增高,强度增高7.2 岩石与岩体的基本动力学特性第 7 章 岩石动力学b) 围压增大,应变速率的影响下降C) 快速加载与静力加载的比较:Richard 加载率 15.9MPa/s 动力强度/静力强度花岗岩 1.27; 玄武岩 1.48; 凝灰岩 1.70;d) 应变率界限 :103秒 , 应变率对岩石强度特性影响更显著e) 孔隙率的影响; N 增加, 应变率的影响增加7.2 岩石与岩体的基本动力学特性第 7 章 岩石动力学1) 室内试验方法a) 应力应变的研究静态和准静态试验气动加载应变率可达10-3-100/s7.3 岩石动力试验技术第 7 章 岩石动力学1) 室内试验方法a)

4、应力应变的研究动态和准动态试验应变率可达 2*102-5*103/s7.3 岩石动力试验技术第 7 章 岩石动力学1) 室内试验方法b) 弹性波测试C) 冲击波试验技术 平面波发生器7.3 岩石动力试验技术第 7 章 岩石动力学1) 室内试验方法b) 弹性波测试C) 冲击波试验技术轻气炮或压缩空气炮试验 冲击力达几千巴至十多万巴,速度0.6-0.8mm/微秒7.3 岩石动力试验技术第 7 章 岩石动力学2) 现场岩体的动力特性试验a) 地球物理探测b) 现场冲击波试验7.3 岩石动力试验技术第 7 章 岩石动力学应力波的传播取决于: 1) 岩石介质内在特性; 2) 应力波峰值、波形、波长应力波

5、传播的模型简化：强爆炸区：流体动力学模型，状态方程 中等应力区:有限变形下,热与机械变形耦合的弹塑性模型。低应力区: 按弹性模型考虑7.4 应力波在岩石地层中的传播 第 7 章 岩石动力学7.4.1 弹性介质中的平面应力波岩石为弹性介质,弹性波传播时岩石质点的运动方程:平面波:是一种理想的近似状态，指的是波在传播过程中质点只能在平行传播方向运动，其波阵面是一平面。产生条件：介质的横向尺寸很大，质点不能发生横向运动。7.4 应力波在岩石地层中的传播 第 7 章 岩石动力学7.4.1 弹性介质中的平面应力波设x轴平行于波的传播方向，则： u=u（x，t） v=w=0 x0 y= z=0，= xx

6、0 ， y= z 0 平面波波动方程简化为：CP为纵波速度7.4 应力波在岩石地层中的传播 第 7 章 岩石动力学7.4.1 弹性介质中的平面应力波当质点发生横向运动时，有 u=v=0 w=w（x，t）横波运动方程：横波速度纵横波速之比方程的通解为 u=G（x-ct）+H（x+ct）应力方程 通解为 7.4 应力波在岩石地层中的传播 第 7 章 岩石动力学7.4 应力波在岩石地层中的传播 7.4.1 弹性介质中的平面应力波其中c=cp , 由虎克定律和平面波的假设 应力方程 通解为 第 7 章 岩石动力学7.4.2 弹塑性介质中的平面应力波弹塑性介质传播规律： 载荷足够大， c 冲击速度超过岩

7、石临界速度, v0= c C0/E 弹性或弹塑性波动方程一致，本构方程不同。波传播的基本假设：体积变形弹性，形状变形塑性纵波传播速度弹性段 塑性段7.4 应力波在岩石地层中的传播 第 7 章 岩石动力学7.4.3 弹性波的反射与折射当应力波在岩石中传播,到达两种界面时,产生反射与折射,其规律服从惠更斯原理反射波折射波 反射应力折射应力 7.4 应力波在岩石地层中的传播 第 7 章 岩石动力学abA1A2A3特征阻抗: cp为特征阻抗工程应用: 特征阻抗严重失配,指第二种介质的阻抗远小于第一种介质的阻抗时,称为阻抗严重失配.结构或建筑物的保护,15-25cm的间隙,充填适合的衬垫材料即可.7.4

8、 应力波在岩石地层中的传播 第 7 章 岩石动力学1. 岩石岩石中弹性波传播速度与其内部结构特征密切联系.依矿物成分、密度、孔隙度、含水率等的不同而显著变化。（1）岩石随密度增加，而波速增加；（2）其波速取决于孔隙度 vf液体饱和了孔隙的波速， vr岩石骨架的波速；（3）含水率的影响，含水率对弹性波速有明显影响，vd3000m/s含水率增加波速相应增加vd3000m/s 含水率增加波速相应下降7.5 岩体特性与弹性波的传播 第 7 章 岩石动力学7.5 岩体特性与弹性波的传播 第 7 章 岩石动力学(4) 岩石在压应力作用下, 随载荷增加,波速增加,波幅衰减 减少;拉应力作用下,载荷增加,波速

9、降低,衰减增大.2 . 岩体重点:岩体是结构体,岩体内的各种结构面,空洞、破碎带、等地质上的不连续面,明显地改变弹性波的传播行程,具有较强的消能作用. 结构效应问题尤其重要（1）弹性波 传播过程中，遇到裂隙，其波程的特点是：裂隙中为空气 ： 绕行 其它物质：部分穿过。跨越裂隙的宽度与频率有关：频率高 宽度小 ； 频率低，宽度大7.5 岩体特性与弹性波的传播 第 7 章 岩石动力学7.5 岩体特性与弹性波的传播 第 7 章 岩石动力学（2）弹性波传播过程中，遇到空洞时，随测线长短不同，绕过同一空洞的视速度也不同，测线短，绕射剧烈，测线长，绕射减弱。（3）岩体加载，裂隙闭合和充填物压缩，波速增加，

10、增加率取决于初始裂缝体积和压力（4）岩体传播弹性波，受成岩条件、结构面和地应力等条件影响。垂直层理 波速低平行层理 波速高7.5 岩体特性与弹性波的传播 第 7 章 岩石动力学7.5 岩体特性与弹性波的传播 第 7 章 岩石动力学7.5 岩体特性与弹性波的传播 第 7 章 岩石动力学岩体弹性波 纵波反映岩体压缩与拉伸变形，受法向刚度控制；横波反映剪切变形，受剪切刚度控制；根据实测获得的 VP，VS可计算泊松比和弹性模量岩石动静弹性模量及波速与静弹性模量的关系用动力法测定的弹性模量与用静力法测定的弹性模量的比值为1-2；岩石越完整，比值越接近于1。 Ers=vp3 对砂岩而言：0.4-0.57.

11、6 岩体弹性参数与强度的量测 第 7 章 岩石动力学岩体动静弹性模量的关系根据国内外175个对比资料的统计,动弹性模量比静弹性模量高百分之及至几十倍.但95%以上在1-20之间.85%以上在1-10之间.当弹性模量在15000MPa以上时,更为集中.岩体完整性系数 VM2/Vr2Ems=j Emd7.6 岩体弹性参数与强度的量测 第 7 章 岩石动力学岩体完整性与折减系数表7.6 岩体弹性参数与强度的量测 第 7 章 岩石动力学7.6 岩体弹性参数与强度的量测 第 7 章 岩石动力学岩体动静弹性模量的关系根据国内外175个对比资料的统计,动弹性模量比静弹性模量高百分之及至几十倍.但95%以上在1-20之间.85%以上在1-10之间.当弹性模量在15000MPa以上时,更为集中.岩体完整性系数 VM2/Vr2Ems=j Emd7.6 岩体弹性参数与强度的量测 第 7 章 岩石动力学岩体完整性与折减系数表岩体弹性波速及其抗压强度的相关性