第六章 巖石動力學.pptx

1、第六章 巖石動力學,6.1 概述,6.1.1 動力問題和靜力問題的判別標準 在大多數(shù)巖石力學問題的研究中，通常都假定外力作用下是準靜態(tài)的 動力荷載條件下，沿用靜力學的原理和方法來求解這類問題會出現(xiàn)問題 判斷一個荷載作用過程是否符合準靜態(tài)條件的標準通常是應變率大小 一般認為，當加、卸載引起的應變率在10-510-1/s范圍時，屬于準靜態(tài)過程，此時可忽略介質的慣性力；若應變率大于10-1/s，則不能忽略慣性力。,6.1.2 動力荷載類型,1）地震荷載 包括天然地震和誘發(fā)地震 2）爆炸荷載 巖石爆破開挖、采礦、物探震源；戰(zhàn)爭狀態(tài)下核爆炸和導彈打擊。 3） 高速列車、風等引起的振動 4）開挖卸荷的瞬態(tài)

2、卸荷,6.1.3 巖石動力學的研究范疇 巖石本身的動力特性的研究 巖石在各種動力荷載作用下的效應 巖石動力學既是具有相當理論水平的自然科學又是與工程實際緊密相連的應用科學 巖石動力學的發(fā)展除了理論研究外還依賴于工程建設的需要和實驗技術的進步,6.2 作用于巖體的動力荷載,6.2.1地震荷載 (1) 地震類型 地震類型 按照機理分：火山地震、陷落地震、構造地震和誘發(fā)地震 火山地震：由于火山爆發(fā)，巖漿猛烈沖出地面時引起的地表振動； 陷落地震：在地表或巖層的溶洞塌陷或古礦坑塌陷以及滑坡崩塌等原因造成的地面振動；,構造地震：由于地殼運動產(chǎn)生的力推擠地殼巖層，使片薄弱部位發(fā)生突然破裂搖動引起的地震，叫構

3、造地震或斷裂地震 誘發(fā)地震：由于水庫蓄水改變了水文地質條件地層的應力狀態(tài)，使古老斷層復活而導致的地震,按照震源的深淺分:淺源地震、中源地震、深源地震 淺源地震：震源深度在60km以內的地震 中源地震：60300km深的地震 深源地震：超過300km深的地震。 絕大部分地震是淺源地震，震源深度大多在20km左右；觀測到的最大震源深度是700km。 中源地震較少，深源地震則更少。我國吉林省東部延邊地區(qū)是深源地震區(qū)。 一艇來論對于同樣量級的地震當震源淺時破壞程度大而波及范圍??；相反，深源地震破壞程度小而波及范圍大。,描述地震的幾何要素 震源：地震發(fā)生的地點 震中：震源正對著的地面，或者說震源在地表的

4、投影 震中距：壩址或建筑物地址到震中的距離叫，以D表示。對于遠震或深源、中源地震也常用地心所張的角來表示D。 震源距：壩址或建筑物到震源的距離，以R表示。 斷層距：現(xiàn)址或建筑物到發(fā)震斷層的垂直距離，以Dl表示,我國是多地震國家，全國分為六個地震活動帶： 臺灣地震帶：屬于環(huán)太平洋地震帶的一部分 西南地震帶： 包括云南省中部、西部，四川西部以及西藏自治區(qū)的東南部。 天山地震帶： 包括天山南北兩麓及阿爾泰山地區(qū)。 西北地震帶： 包括甘肅、寧夏及青海省中部。 華北地震帶： 包括寧夏賀蘭山以東，汾渭河谷，京津以及魯中渤海地區(qū)。 東南地層帶： 包括東南沿海各省，主要是福建、廣東沿海一帶。,地震波動的描述

5、地震震源的振動使震源附近巖層發(fā)生反復的壓縮、拉伸、剪切等應力和變形， 離震源一定距離以外，地層的變形為彈性階段，彈性波從各個方向以波動方式傳播 射線：波的傳播路線 波陣面或波前：在波的傳播過程中，同一時刻由同相位組成的面 波前為球面的波稱為球面波，波前為平面的波稱為平面波。 地震波是球面波，但在較小范圍(例如壩址、廠址)內，可當作平面波。,由地層介質傳播的彈性波有體波(body wave)和面波(surface w avc)兩大類。 體波分初波(primary wave)和次波(secondary wave)兩種，即P波和S波。 P波亦稱縱波(longitudinal wave)，S波亦稱橫波

6、(transverse wave)，面波分瑞利波(Rayleigh wave)和勒夫波(Love wa ve)兩種。,瑞利波是各向同性的半無限彈性體表而附近的波動；可認為是P波和SV波的組合 介質質點在前進方向的豎直平面內作后退的橢圓振動(當波向右傳播時，橢圓是逆時針方向旋轉)，其長軸沿豎直方向，位移振幅隨著深度的增大而迅速減小,在彈性介質的表面，當p0.25時，質點運動橢圓的長軸為0.62a，短軸為0.42a。 瑞利波的傳播速度比剪切波稍慢 式中，R為R波和S波波速的比值,（2）地震的震級 震級M：表示地震規(guī)模的大小，是根據(jù)地震儀記錄的地震波位移來確定 1935年，CFRichter 給出淺

7、源地震震級的定義 A在離震中100km處，標準地震儀記錄到的最大水平地動位移(單振幅)，m(微米)10-6m 標準地震儀是指伍德安德生(WoodAnderson)地震儀，周期0.8s，阻尼系數(shù)0.8，放大2800倍。,我國計算近震(震中距D1000km)震級ML的公式為 ML近震體波震級； R一起算函數(shù)，隨震中距D而變。D05km，R=1.8；D9km，R=4.8 各種儀器略有不同。 A記錄的體波最大地動位移(單振幅)，以m計。,測定遠震D1000km震級的方法，我國采用面波震級的經(jīng)驗公式 Ms遠程面波震級； A記錄的面波最大水平向地動位移，以m計； T最大面波水平地動位移相應的周期，如A用單

8、振幅，則T用半周期； 面波震級的量規(guī)函數(shù)，隨震中距D而變， 1.66lgD+3.5，D以地心所張的角度計。,對于深源地震，面波不發(fā)育或幾乎不見面波，必須用體波測定震級 我國地震部門為統(tǒng)一起見，規(guī)定全用面波所定震級。Ms與ML的換算公式為：,微震：小于2級的地震人們感覺不到，只有儀器才能錄記下來 有感地震：24級地震，人能感覺 破壞性地震：5級以上就引起不同程度的破壞 強烈地震：7級以上地震,根據(jù)斷層參數(shù)確定震級 水工建筑物設計規(guī)范， 根據(jù)國內斷層調查和震級調查分析得到的公式為 L斷層長度(km)， d一斷盤相對位移(cm),地震震級與釋放能量的關系 地層褶皺蓄積的巨大應變能，在斷裂摩擦過程中釋

9、放出來， 震級M與釋放的能量E有下列關系 E一釋放的能量，以J(焦耳Joule)為單位。 A12.24B1.44,（3）地 震 烈 度 地震烈度(I)：表示地震時在一定地點的地面震動強烈程度，是指該地點的平均水平而言。我國1980年編制了中國地震烈度表(1980) 水工建筑物的擬靜力法抗震計算，把地震慣性力、動水壓力、動土壓力作為建筑物的荷載，按靜力法計算建筑物的穩(wěn)定性應力。 計算這些荷載時要用地震系數(shù)KH、Kv，該地震系數(shù)需根據(jù)地震烈度按“水工建筑物抗震設計規(guī)范”確定,基本烈度及其區(qū)劃 基本烈度是指一個地區(qū)在一定期限(我國常取100年)內，一般場地條件下可能遇到的最大烈度，也就是預報未來一個

10、時期里某一地區(qū)可能遭受的最大地震影響程度。 基本烈度所指的地區(qū)，一般是較大范圍，例如一個區(qū)或一個縣，因此基本烈度也叫區(qū)域烈度。 基本烈度的鑒定與區(qū)別 一是對全國各地區(qū)普通調查評定，提出全國基本烈度區(qū)劃圖，或稱等震線作為工程抗震設計的標準； 另一種方式是根據(jù)少數(shù)重點工程設計的需要，對建筑地點和周圍一定范圍作調查研究，據(jù)此評定壩址或廠址的基本烈度,設計烈度 我國水工建筑物抗震設計規(guī)范規(guī)定 “水工建筑物抗震設計一般采用基本烈度作為設計烈度。對：I級擋水建筑物，應根據(jù)其重要性和遭受震窯的危害性可在基本烈度基礎上提高一度。對其他特殊情況需要采用較基本烈度為高的設計烈度時，應經(jīng)國家基本建設委員會和水利電力

11、部批準。當需要考慮施工期和空庫情況的地震作用時，可比設計烈度降低一度進行抗震設計?！?設計烈度為6度時，可不進行抗震計算；對設計烈度高于9度的水工建筑物，應進行專門研究,（4）地震加速度時程曲線 用動力分析方法計算水工建筑物在地震作用下的應力應變及邊坡穩(wěn)定日益增多，此時需要計算點的地震加速度時程曲線。 設計的建筑物地址很少具備實測的地震加速度的條件，需要從附近地震臺站的記錄推算建筑物地址的設計地震加速度時程曲線。,推算地震加速度時程曲線的步驟 1) 首先對壩址廠址周圍數(shù)百km范圍作地質調查， 查明古老斷層和新的活動性斷層，繪制地質構造圖 調查收集數(shù)百km范圍內的歷史地震資料，把這些歷史地震的震

12、中和震級標在地質構造圖上 對每個震中用數(shù)理統(tǒng)計法和地震地質成因分析法推算今后一百年內可能發(fā)生的最大地震震級， 也就是這些震中的設計震級,2)按各震中的設計震級，計算各震中的基巖運動最大加速度 再根據(jù)壩址(廠址)到各震中的距離(震中距)或到發(fā)震斷層的距陶(斷層距)計算壩址(廠址)的基巖運動加速度 由各震中算得的壩址(廠址)基巖運動加速度各不相同，取其最大值作為壩址(廠址)的基巖運動加速度的設計值。 同時也要比較遠的震中計算得到的壩址基巖運動加速度作設計值的比較方案。,3）再根據(jù)這個采用設計值和比較方案設計值的相應震中的震級和震中距計算壩址(廠址)基巖地震運動的加速度時程曲線的卓越周期以及強震的持

13、續(xù)時間,4) 收集壩址(廠址)周圍地震臺站測到的基巖面地震運動加速度肘程曲線，按壩址(廠址)的設計加速度和卓越周期把這些時程曲線放大或縮小成為壩址(廠址)的設計加速度時程曲線。 并按壩址的計算強震持續(xù)時間截取或延長供動力計算分析用,如錦屏二級水電站4條引水隧洞，平均埋深15002000m，最大埋深約為2525m；埋深為1843m的長探洞內實測最大地應力值已達42.11MPa，預測引水洞線附近最大地應力將達54 Mpa。 地處雅魯藏布江大拐彎的墨脫水電站，引水隧洞的埋深達4000m，地應力超過100MPa。 已建的二灘和在建的小灣、拉西瓦、瀑布溝和錦屏一級等水電工程壩址處的最大地應力也達2540

14、MPa。,基巖運動最大加速度、卓越周期和地震歷時,6.2.2 爆炸荷載,（1）爆炸現(xiàn)象 爆炸現(xiàn)象分為三類：物理爆炸、化學爆炸、核爆炸 (a) 物理爆炸(physical cxplosion) 蒸汽鍋爐或高壓氣瓶的爆炸。 雷電以及細金屬絲因通過高壓電流而發(fā)生的爆炸 還有雪崩、地震、高速粒子撞擊物體表面等。,(b) 化學爆炸(chemical cxplosion) 在能量釋放過程中發(fā)生化學變化，形成了新的化學物質 包括炸藥或火藥爆炸、可燃粉塵的爆炸 炸藥爆炸速度快,其速度每秒高達數(shù)干到萬米，所形成的氣體溫度可達3000一5000 c，壓力可達幾十萬大氣壓 （c） 核爆炸(nuclear cxplo

15、sion) 核爆炸是系統(tǒng)在能量釋放過程生成了新的元素例如原子彈爆炸，鈾的原子核發(fā)生裂變(fission) 氫彈(hydrogenbomb)爆炸是氘和氚的核聚變(fusion),炸藥的爆炸分類及起爆機理 炸藥的燃燒、爆炸和爆轟(deflagration，explosion and detonation)這三種反應都是從某一局部開始，然后以波的形式在炸藥中自持地傳播 在已改變區(qū)與末改變區(qū)之間有一個很窄的化學反應置，化學反應就在這個區(qū)域中激烈地進行，這個狹窄的區(qū)域稱作化學反應波陣面，它以一定的速度向未反應區(qū)的炸藥傳播,炸藥的起爆機理 炸藥在熱、電、光、機械摩擦、機械撞擊以及沖擊波作用下可能發(fā)生爆炸

16、熱直接作用下的熱爆炸理論 機械作用下的熱點學說 強沖擊波作用下的起爆理論,凝聚炸藥的CJ爆轟理論,耦合裝藥：,不耦合裝藥：,鉆孔爆破中爆破荷載的確定,爆破荷載歷程曲線,爆炸荷載和爆破震動作為影響地下洞室、高邊坡動力穩(wěn)定性的重要因素而一直得到關注 巖體瞬態(tài)開挖卸荷誘發(fā)動力擾動是高地應力條件下的重要動力學現(xiàn)象，在二灘、瀑布溝等地下廠房開挖過程出現(xiàn)的動力破壞現(xiàn)象中得到驗證,6.2.3 開挖荷載的瞬態(tài)卸荷,瞬態(tài)卸荷的物理概念,彈簧變形,二灘水電站地下廠房開挖過程中出現(xiàn)了兩次大范圍圍巖變形突變并伴隨劇烈?guī)r爆事件 第一次由2號尾調室南端底板與下部已開挖尾水洞一次性貫穿所引起 第二次大范圍圍巖變形突變及巖爆

17、由2號機窩一次性貫穿引起,尾調室底板與下部已開挖尾水洞一次性貫穿造成了2號尾調室上游邊墻中上部巖體變形量突增3060mm，同時誘發(fā)了附近巖體大范圍開裂及巖爆，特別是12號尾水管之間，巖柱中段因嚴重巖爆而拋射的方量達150m3 2號機窩一次性貫穿誘發(fā)鄰近巖體大變形，最大變形突變量達2441.5mm；并造成鄰近襯砌鋼筋混凝土開裂、廠房吊頂上抬及4根175t級錨索拉斷,開挖荷載的瞬態(tài)卸荷過程,研究對象： 直徑為10 m的圓形隧洞，全斷面鉆爆開挖,圖1 圓形隧洞開挖爆破設計示意圖,表象：形成新開挖輪廓面； 準靜態(tài)觀點：在新形成的圍巖開挖輪廓面上實現(xiàn)開挖荷載緩慢卸荷的過程 巖石動力學觀點：開挖輪廓面上開

18、挖荷載的瞬態(tài)卸荷過程,準靜態(tài)過程：加、卸載引起的應變率在10-510-1/s范圍，此時可忽略介質的慣性力； 動態(tài)過程：應變率大于10-1/s，不能忽略慣性力,開挖荷載的確定,開挖荷載的確定,開挖荷載的瞬態(tài)卸載過程 為復雜的三維動力卸載問題 需以應力邊界條件和應力初始條件準確描述伴隨巖體新開挖面（卸荷邊界）形成與發(fā)展過程開挖荷載瞬態(tài)釋放的方式、開始部位及其空間演化規(guī)律 作為簡化和近似，開挖荷載的瞬態(tài)卸荷可采用線性卸荷、負指數(shù)卸荷和1/4余弦波卸荷等不同卸荷方式,開挖瞬態(tài)卸荷的持續(xù)時間,爆轟波在裝藥段內的傳播時間 爆生氣體驅動的炮孔間巖石裂縫擴展貫通時間 炮孔間裂縫貫通后高壓爆炸氣體的卸載時間,巖體初始應力的線性瞬態(tài)卸荷過程,水電部門，露天深孔臺階爆破中常采用的炮孔參數(shù)范圍：鉆孔直徑為70150mm，孔間距25.0m，臺階高度816m?？紤]采用常用的2#巖石硝銨炸藥或乳化炸藥，其爆速為35004500m/s；爆炸荷載作用下裂紋擴展平均速度取0.2-0.3倍的縱波速度 Cp；高壓爆炸氣體的聲波波速取10001500m/s；由此可以推斷，在巖體爆破開挖過程中，新開挖面的形成時間約為10100ms。 巖石爆破現(xiàn)場高速攝影資料表明 ：爆破過程，被爆