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岩体动力性状

2020-04-09 21:02

岩体在动荷载作用下表现的力学行为。常遇到的动荷载有:爆炸、地震、振动及冲击等。研究岩体动力性状的目的,在于对岩石工程进行抗震抗爆设计和分析。

应力波及其传播

在岩石介质内,质点间存在着相互作用的弹性力。当某一质点受到扰动或外力作用(例如地震、爆炸等)后,离开平衡位置发生振动,从而也引起周围质点扰动、位移和振动,并产生相应的应力、应变的变化。应力、应变状态的变化以波的方式向四周传播,这种波称为应力波。应力波按扰动产生的力小于或大于岩体的弹性极限,分为弹性波和弹塑性波等。扰动区域与未扰动区域的界面称为波阵面。波阵面行进的速度称为波速。地震波是常见的应力波。应力波按波阵面几何形状,分为平面波、柱面波、球面波等;按传播方向与质点振动方向的关系,分为纵波(又称胀缩波、P波,传播方向与质点振动方向一致)和横波(又称畸变波、剪切波、S波,传播方向与质点振动方向垂直)。当波传到岩体界面时,波就反射,传播变得复杂化。

在各向同性线性变形的岩体内,弹性纵波和横波的波动方程具有相同的形式,即

式中,

为拉普拉斯算子;u、v、w为x、y、z方向的位移分量;c为波速。

对于纵波,c=cP;对于横波,c=cS

式中,ρ为岩体的密度,kg/m3;E为岩体的动弹性模量,MPa;μ为岩体的动泊松比;G为岩体的动剪切模量,MPa。

对于平面波,其波动方程的解为

式中,f、F为由初始条件确定的任意函数;t为时间。

图1 测定岩体波速的现场跨孔试验

动弹性模量和动泊松比

动弹性模量和动泊松比是岩体动力变形性质的重要参数,可根据波速测试结果从式(2)和式(3)推求。波速常用图1所示的现场跨孔法测定。在洞壁上打2个钻孔,一个孔内安放炸药,另一个孔内安放地震仪(速度计或加速度计),用示波器记录从炸药爆炸起算的质点速度等物理量的变化过程,如图2所示。由纵波到达的时间(t1)、横波到达的时间(t2)以及两孔之间的距离(L),即可算得纵波波速cP=L/t1及横波波速cS=L/t2。再根据cP和cS,用式(2)和式(3)算出动弹性模量(E)和动泊松比(μ)。由现场测定波速而求得的动弹性模量和动泊松比,一般都比用静力法(例如用承压板法,参见岩体现场试验)求得的值高,两者相差可从0~300%。这主要是由于岩体内有裂隙、弱面、破碎带等地质缺陷所致。在静力法中,弹性常数受到这些因素的影响比在波速法中大。

图2 记录的质点速度过程线

岩石的动强度一般高于静强度。例如,岩块动抗压强度可比静抗压强度高50%,动抗拉强度可比静抗拉强度高几倍。另外,岩石的动强度不是常数,它随着应变速率加快而增高。

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