巖體力學(xué)第三章.ppt

1、山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,第三章 巖體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),3.1 概述 3.2 巖體中應(yīng)力波類型及傳播 3.3 影響巖體彈性波速度的因素,山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,3.1 概述,巖體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)是巖體在動(dòng)荷載作用下所表現(xiàn)出來的性質(zhì)，包括巖體動(dòng)力變形和強(qiáng)度性質(zhì)及巖體中彈性波的傳播規(guī)律。 應(yīng)變率等級(jí)分類,巖體流變力學(xué),巖體靜力學(xué),巖體動(dòng)力學(xué),3.2 巖體中應(yīng)力波類型及傳播,波某種擾動(dòng)或某種運(yùn)動(dòng)參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)（例如應(yīng)力、變形、震（振）動(dòng)、溫度、電磁場(chǎng)強(qiáng)度等）的變化在介質(zhì)中的傳播。應(yīng)力波就是應(yīng)力在固體介質(zhì)中的傳播。 應(yīng)力波分類：(4類） 彈性波 在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從虎克定律的介質(zhì)（線彈性介 質(zhì)）中

2、傳播的波。,一、固體中應(yīng)力波的種類,粘彈性波在非線性彈性體中傳播的波，這種波，除彈性變形產(chǎn)生的 彈性應(yīng)力外，還產(chǎn)生摩擦應(yīng)力或粘滯應(yīng)力。 塑性波在能夠傳播塑性波的介質(zhì)中，應(yīng)力超過彈性極限的波。其速 度小于彈性波。 沖擊波如果固體介質(zhì)的變形性質(zhì)能使大擾動(dòng)的傳播速度遠(yuǎn)比小擾動(dòng) 的傳播速度大，在介質(zhì)中就會(huì)形成波頭陡峭的、以超聲波傳 播的沖擊波。,巖石在受到擾動(dòng)時(shí)在巖體中主要傳播的是彈性波，塑性波和沖擊波只有在振源處才可以看到。,彈性波,體波（由巖體內(nèi)部傳播的波）,面波（僅在巖石表面?zhèn)鞑ィ?縱波（又稱：壓力波、P波） 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向和傳播方向一致的波，產(chǎn)生壓縮或拉伸變形。,橫波（又稱：拉力波、S波) 質(zhì)

3、點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向垂直的波，產(chǎn)生剪切變形。,瑞利波（又稱：R波） 質(zhì)點(diǎn)在平行于波傳播方向的垂直平面內(nèi)作橢圓運(yùn)動(dòng)，其長(zhǎng)軸垂直于表面，,勒夫波（又稱：L波） 質(zhì)點(diǎn)在水平面內(nèi)垂直于波前進(jìn)方向作水平振動(dòng),按波面形狀，應(yīng)力波又區(qū)分為平面波、球面波和和柱面波。,二、彈性波在固體中的傳播 由運(yùn)動(dòng)方程、幾何方程、物理方程可得出： 拉梅運(yùn)動(dòng)方程 (不計(jì)體力),拉梅常數(shù),動(dòng)剪切模量,體積應(yīng)變,2拉普拉斯算子,u、v、w為x、y、z方向上的位移,由以上方程導(dǎo)出縱波在各向同性巖體中的傳播速度： 橫波在各向同性巖體中的傳播速度： 將 ， 代入 上兩式，得：,若已知 ，則可根據(jù)上兩式推出求動(dòng)彈性模量 和動(dòng)泊松比 ，即：

4、,注：若 分辨不清，則可用 （一般可用靜泊松比代替）求 ， 則 Ed=Vp2(1+u)(1-2u)/(1-u) 若 0.25時(shí)， 1.73 經(jīng)過各方面試驗(yàn)驗(yàn)證， 一般在1.61.7之間。,三、巖體彈性波速得測(cè)定,（一）巖塊聲波傳播速度室內(nèi)測(cè)定 測(cè)定時(shí)，把聲源和接收器放在巖塊試件得兩端，通常用超聲波，其頻率為1000Hz2MHz。,發(fā)射傳感器,耦合濟(jì),接收傳感器,測(cè)出,t0系統(tǒng)的零延時(shí),（1）測(cè)定縱波速度適宜采用凡士林或黃油作耦合劑；（2）測(cè)定橫波速度適宜采用鋁箔或銅箔作耦合劑；,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)巖石受振激發(fā)時(shí)，巖體內(nèi)就產(chǎn)生了一種應(yīng)力波，即彈性波。動(dòng)力法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作主要包括激發(fā)、接收彈性波、記測(cè)彈性波的傳

5、播時(shí)間、振幅和波形。根據(jù)激發(fā)波采用的方法和產(chǎn)生波的頻率不同，通常分超聲波法、聲波法和地震波法三種，超聲波法主要用于現(xiàn)場(chǎng)比較大的巖塊，聲波法用于測(cè)試巖體表面，它的測(cè)試范圍在550m之間，最優(yōu)范圍是510m，地震波法的能量大、頻率低，傳播距離遠(yuǎn)，一般可以在大范圍內(nèi)測(cè)試。這些方法都是通過測(cè)定巖石內(nèi)的彈性波速，然后用彈性力學(xué)公式計(jì)算。,（二）巖體聲波傳播速度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,巖體聲波的傳播速度可以在巷道幫面或平坦的巖面上測(cè)定。,在巖體上打兩個(gè)孔，在一個(gè)鉆孔內(nèi)埋放炸藥，在另一個(gè)孔內(nèi)安放接受地震波的地震計(jì)，并把它接在接收儀器上。炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的彈性波，通過地震計(jì)接收，由示波器顯示并記錄下來。由于地震計(jì)與震源（炸

6、藥埋設(shè)點(diǎn)）的距離L為已知，只要測(cè)定彈性波從震源傳播到地震計(jì)的時(shí)間t，就可直接計(jì)算出波速Vp和Vs，然后再計(jì)算出d和Ed。,量出聲源與接收器之間的距離如圖中的D1或D2 測(cè)出P波和S波傳播的時(shí)間,計(jì)算彈性波速度Vp和Vs,注意： 激發(fā)方式有：換能器激發(fā)、電火花激發(fā)、錘擊激發(fā) 相鄰兩測(cè)點(diǎn)的距離：采用換能器激發(fā)13m，采用電火花激發(fā)時(shí)1030cm，采用錘擊激發(fā)時(shí)應(yīng)大于3m 鉆孔或風(fēng)鉆孔應(yīng)沖洗干凈，并在孔內(nèi)注滿水，水即作為耦合劑，對(duì)軟巖宜采用干孔測(cè)試,（三）巖體彈性波測(cè)定結(jié)果,由表可見，一般來說， 縱波速度大于橫波速度，巖體縱波波速變化范圍較大，受各種因素影響。 巖塊波速要大于巖體波速； 新鮮完整的巖

7、體波速大； 裂隙越發(fā)育和風(fēng)化破碎巖體的波速越小。,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理的巖體動(dòng)、彈性模量,動(dòng)彈性模量比靜彈性模量高百分之幾甚至10倍,靜彈模,動(dòng)彈模,動(dòng)彈性模量與靜彈性模量的比值 一般來說，巖體越堅(jiān)硬越完整，則差值越小，否則，差值就越大。 從動(dòng)彈性模量的數(shù)字來看，多集中在 之間。,j-為折減系數(shù)，可根據(jù)巖石完整性系數(shù)Kv進(jìn)行選擇,Vpm巖體的縱波速度； Vpr巖塊的縱波速度。,3.3 影響巖體彈性波波速的因素,1.巖石的密度和完整性越高，波速越大 2.巖石密度越大，彈性波的速度也相應(yīng)增加,一、巖體彈性波速與巖體種類、巖石密度和生成年代有關(guān),二、巖體波速與巖體中裂隙或夾層的關(guān)系,彈性波在巖體中傳播時(shí)

8、，遇到裂隙，則視充填物而異。若裂隙中充填物為空氣，則彈性波不能通過，而是繞過裂隙斷點(diǎn)傳播。在裂隙充水的情況下，彈性波有5可以通過，若充填物為其他液體或固體物質(zhì)，則彈性波可部分或完全通過。彈性波跨越裂隙寬度的能力與彈性波的頻率和振幅有關(guān).,1.頻率越低，跨越裂隙寬度俞大，反之俞小,2. 裂隙數(shù)目越多，則縱波速度愈小,3.巖體的風(fēng)化程度愈高彈性波的速度亦小,4.夾層厚度愈大彈性波縱波速度愈小,三、巖體波速與巖體的有效孔隙率n及吸水率 有關(guān),一些巖漿巖，沉積巖和變質(zhì)巖的縱波速度與有效孔隙率n之間的關(guān)系見圖所示。,從圖中可以看出： 1.隨著有效孔隙率的增加，縱波波速 則急劇下降,圖3-10表示了縱波波

9、速與吸水率之間的關(guān)系。,從圖中可以看出： 2.隨著吸水率的增加，縱波波速急劇的下降,四、巖體波速與各向異性性質(zhì)有關(guān),巖體因成巖條件、結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力等原因而具有各向異性，因而彈性波在巖體中的傳播、巖體動(dòng)彈性模量等也具有各向異性。,1. 平行層面縱波波速大于垂直層面波速 平行層面波速/垂直巖層波速各向異性系數(shù)C C=1.08-2.28；多數(shù)：C=1.67 相當(dāng)一部分：c=1.10,2.平行巖層面的動(dòng)彈模大于垂直巖層的動(dòng)彈模 各向異性系數(shù)數(shù)值在1.012.72之間；絕大部分小于1.30,3. 壓力愈大，縱波波速各向異性系數(shù)愈小 由表可見，所有系數(shù)均大于1；其最大系數(shù)在1.6MPa,五、巖體受壓應(yīng)力對(duì)

10、彈性波傳播的影響,（一）室內(nèi)測(cè)試的結(jié)果 巖石在壓應(yīng)力作用下，對(duì)彈性波的波速和動(dòng)彈性模量有一定的影響，受力狀態(tài)可分靜水壓縮、三向壓縮和單向壓縮，量測(cè)方式可分為平行或垂直于最大應(yīng)力或?qū)用娣较颉?1.加載方式對(duì)聲波波速的影響 在單向壓縮且垂直應(yīng)力方向測(cè)試巖石的波速時(shí)，所測(cè)波速有較明顯的影響,靜水壓力,單向壓縮垂直應(yīng)力方向,單向壓縮平行應(yīng)力方向,隨著壓力的增大，縱波的波速亦隨之增大。在開始階段較快，然后逐漸變小，最后可能不增加。,2. 對(duì)于層面發(fā)育的沉積巖石，垂直于層面方向縱波波速，在低應(yīng)力階段波速隨應(yīng)力增長(zhǎng)而急速增加，當(dāng)波速超過平行層面方向的波以后，增長(zhǎng)變慢。 平行于層面方向的縱波速度隨應(yīng)力的增大而增大，但增幅較小。,3.當(dāng)巖石種類不同，縱波波速不同。但基本規(guī)律相同，即在低應(yīng)力區(qū)縱波波 速增長(zhǎng)很快，隨著應(yīng)力的增大，增長(zhǎng)減慢，趨于常值。,平行于應(yīng)力方向,4.當(dāng)巖石單向拉伸后，量測(cè)的波速因方向的不同而不同,平行于應(yīng)力方向,與壓應(yīng)力相同方向上的縱波波速，在低應(yīng)力階段波速急速增長(zhǎng)，達(dá)到一定程度后增速減緩,拉應(yīng)力（MPa）,與拉應(yīng)力垂直方向上的縱波波速，隨應(yīng)力增長(zhǎng)而減小,（二）現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的結(jié)果,在某工程中，測(cè)定了巷道兩幫的應(yīng)力變化對(duì)聲波波速的影響可以推斷松動(dòng)圈的范圍。工程測(cè)點(diǎn)布置如圖,1.在巷道壁鉆孔測(cè)試