第六章 岩石动力学x

1、第六章 岩石动力学/6/1 概述/6/1/1 动力问题和静力问题的判别标准 在大多数岩石力学问题的研究中，通常都假定外力作用下是准静态的 动力荷载条件下，沿用静力学的原理和方法来求解这类问题会出现问题 判断一个荷载作用过程是否符合准静态条件的标准通常是应变率大小 一般认为，当加、卸载引起的应变率在10-510-1/s范围时，属于准静态过程，此时可忽略介质的惯性力；若应变率大于10-1/s，则不能忽略惯性力。/6/1/2 动力荷载类型/1）***荷载 包括天然***和诱发*** 2）***荷载 岩石***开挖、采矿、物探震源；战争状态下核***和***打击。 3） 高速列车、风等引起的振动 4）开挖卸荷的瞬态

2、卸荷/6/1/3 岩石动力学的研究范畴 岩石本身的动力特性的研究 岩石在各种动力荷载作用下的效应 岩石动力学既是具有相当理论水平的自然科学又是与工程实际紧密相连的应用科学 岩石动力学的发展除了理论研究外还依赖于工程建设的需要和实验技术的进步/6/2 作用于岩体的动力荷载/6/2/1***荷载 (1) ***类型 ***类型 按照机理分：火山***、陷落***、构造***和诱发*** 火山***：由于火山爆发，岩浆猛烈冲出地面时引起的地表振动； 陷落***：在地表或岩层的溶洞塌陷或古矿坑塌陷以及滑坡崩塌等原因造成的地面振动；/构造***：由于地壳运动产生的力推挤地壳岩层，使片薄弱部位发生突然破裂摇动引起的***，叫构

3、造***或断裂*** 诱发***：由于水库蓄水改变了水文地质条件地层的应力状态，使古老断层复活而导致的***/按照震源的深浅分/浅源***、中源***、深源*** 浅源***：震源深度在60km以内的*** 中源***：60300km深的*** 深源***：超过300km深的***。 绝大部分***是浅源***，震源深度大多在20km左右；观测到的最大震源深度是700km。 中源***较少，深源***则更少。我国吉林省东部延边地区是深源***区。 一艇来论对于同样量级的***当震源浅时破坏程度大而波及范围小；相反，深源***破坏程度小而波及范围大。/描述***的几何要素 震源：***发生的地点 震中：震源正对着的地面，或者说震源在地表的

4、投影 震中距：坝址或建筑物地址到震中的距离叫，以D表示。对于远震或深源、中源***也常用地心所张的角来表示D。 震源距：坝址或建筑物到震源的距离，以R表示。 断层距：现址或建筑物到发震断层的垂直距离，以Dl表示/我国是多***国家，全国分为六个***活动带： 台湾***带：属于环太平洋***带的一部分 西南***带： 包括云南省中部、西部，四川西部以及西藏自治区的东南部。 天山***带： 包括天山南北两麓及阿尔泰山地区。 西北***带： 包括甘肃、宁夏及青海省中部。 华北***带： 包括宁夏贺兰山以东，汾渭河谷，京津以及鲁中渤海地区。 东南地层带： 包括东南沿海各省，主要是福建、广东沿海一带。/***波动的描述

5、***震源的振动使震源附近岩层发生反复的压缩、拉伸、剪切等应力和变形， 离震源一定距离以外，地层的变形为弹性阶段，弹性波从各个方向以波动方式传播 射线：波的传播路线 波阵面或波前：在波的传播过程中，同一时刻由同相位组成的面 波前为球面的波称为球面波，波前为平面的波称为平面波。 ***波是球面波，但在较小范围(例如坝址、厂址)内，可当作平面波。/由地层介质传播的弹性波有体波(body wave)和面波(surface w avc)两大类。 体波分初波(primary wave)和次波(secondary wave)两种，即P波和S波。 P波亦称纵波(longitudinal wave)，S波亦称横波

6、(transverse wave)，面波分瑞利波(Rayleigh wave)和勒夫波(Love wa ve)两种。/瑞利波是各向同性的半无限弹性体表而附近的波动；可认为是P波和SV波的组合 介质质点在前进方向的竖直平面内作后退的椭圆振动(当波向右传播时，椭圆是逆时针方向旋转)，其长轴沿竖直方向，位移振幅随着深度的增大而迅速减小/在弹性介质的表面，当p0/25时，质点运动椭圆的长轴为0/62a，短轴为0/42a。 瑞利波的传播速度比剪切波稍慢 式中，R为R波和S波波速的比值/（2）***的震级 震级M：表示***规模的大小，是根据***仪记录的***波位移来确定 1935年，CFRichter 给出浅

7、源***震级的定义 A在离震中100km处，标准***仪记录到的最大水平地动位移(单振幅)，m(微米)10-6m 标准***仪是指伍德安德生(WoodAnderson)***仪，周期0/8s，阻尼系数0/8，放大2800倍。/我国计算近震(震中距D1000km)震级ML的公式为 ML近震体波震级； R一起算函数，随震中距D而变。D05km，R=1/8；D9km，R=4/8 各种仪器略有不同。 A记录的体波最大地动位移(单振幅)，以m计。/测定远震D1000km震级的方法，我国采用面波震级的经验公式 Ms远程面波震级； A记录的面波最大水平向地动位移，以m计； T最大面波水平地动位移相应的周期，如A用单

8、振幅，则T用半周期； 面波震级的量规函数，随震中距D而变， 1/66lgD+3/5，D以地心所张的角度计。/对于深源***，面波不发育或几乎不见面波，必须用体波测定震级 我国***部门为统一起见，规定全用面波所定震级。Ms与ML的换算公式为：/微震：小于***的***人们感觉不到，只有仪器才能录记下来 有感***：24级***，人能感觉 破坏性***：5级以上就引起不同程度的破坏 强烈***：7级以上***/根据断层参数确定震级 水工建筑物设计规范， 根据国内断层调查和震级调查分析得到的公式为 L断层长度(km)， d一断盘相对位移(cm)/***震级与释放能量的关系 地层褶皱蓄积的巨大应变能，在断裂摩擦过程中释

9、放出来， 震级M与释放的能量E有下列关系 E一释放的能量，以J(焦耳Joule)为单位。 A12/24B1/44/（3）地 震 烈 度 ***烈度(I)：表示***时在一定地点的地面震动强烈程度，是指该地点的平均水平而言。我国1980年编制了中国***烈度表(1980) 水工建筑物的拟静力法抗震计算，把***惯性力、动水压力、动土压力作为建筑物的荷载，按静力法计算建筑物的稳定性应力。 计算这些荷载时要用***系数KH、Kv，该***系数需根据***烈度按“水工建筑物抗震设计规范”确定/基本烈度及其区划 基本烈度是指一个地区在一定期限(我国常取100年)内，一般场地条件下可能遇到的最大烈度，也就是预报未来一个

10、时期里某一地区可能遭受的最大***影响程度。 基本烈度所指的地区，一般是较大范围，例如一个区或一个县，因此基本烈度也叫区域烈度。 基本烈度的鉴定与区别 一是对全国各地区普通调查评定，提出全国基本烈度区划图，或称等震线作为工程抗震设计的标准； 另一种方式是根据少数重点工程设计的需要，对建筑地点和周围一定范围作调查研究，据此评定坝址或厂址的基本烈度/设计烈度 我国水工建筑物抗震设计规范规定 “水工建筑物抗震设计一般采用基本烈度作为设计烈度。对：I级挡水建筑物，应根据其重要性和遭受震窑的危害性可在基本烈度基础上提高一度。对其他特殊情况需要采用较基本烈度为高的设计烈度时，应经国家基本建设委员会和水利电力

11、部批准。当需要考虑施工期和空库情况的***作用时，可比设计烈度降低一度进行抗震设计。” 设计烈度为6度时，可不进行抗震计算；对设计烈度高于9度的水工建筑物，应进行专门研究/（4）***加速度时程曲线 用动力分析方法计算水工建筑物在***作用下的应力应变及边坡稳定日益增多，此时需要计算点的***加速度时程曲线。 设计的建筑物地址很少具备实测的***加速度的条件，需要从附近***台站的记录推算建筑物地址的设计***加速度时程曲线。/推算***加速度时程曲线的步骤 1) 首先对坝址厂址周围数百km范围作地质调查， 查明古老断层和新的活动性断层，绘制地质构造图 调查收集数百km范围内的历史***资料，把这些历史***的震

12、中和震级标在地质构造图上 对每个震中用数理统计法和***地质成因分析法推算今后一百年内可能发生的最大***震级， 也就是这些震中的设计震级/2)按各震中的设计震级，计算各震中的基岩运动最大加速度 再根据坝址(厂址)到各震中的距离(震中距)或到发震断层的距陶(断层距)计算坝址(厂址)的基岩运动加速度 由各震中算得的坝址(厂址)基岩运动加速度各不相同，取其最大值作为坝址(厂址)的基岩运动加速度的设计值。 同时也要比较远的震中计算得到的坝址基岩运动加速度作设计值的比较方案。/3）再根据这个采用设计值和比较方案设计值的相应震中的震级和震中距计算坝址(厂址)基岩***运动的加速度时程曲线的卓越周期以及强震的持

13、续时间/4) 收集坝址(厂址)周围***台站测到的基岩面***运动加速度肘程曲线，按坝址(厂址)的设计加速度和卓越周期把这些时程曲线放大或缩小成为坝址(厂址)的设计加速度时程曲线。 并按坝址的计算强震持续时间截取或延长供动力计算分析用/如锦屏***水电站4条引水隧洞，平均埋深15002000m，最大埋深约为2525m；埋深为1843m的长探洞内实测最大地应力值已达42/11MPa，预测引水洞线附近最大地应力将达54 Mpa。 地处雅鲁藏布江大拐弯的墨脱水电站，引水隧洞的埋深达4000m，地应力超过100MPa。 已建的二滩和在建的小湾、拉西瓦、瀑布沟和锦屏一级等水电工程坝址处的最大地应力也达2540

14、MPa。/基岩运动最大加速度、卓越周期和***历时/6/2/2 ***荷载/（1）***现象 ***现象分为三类：物理***、化学***、核*** (a) 物理***(physical cxplosion) 蒸汽锅炉或高压气瓶的***。 雷电以及细金属丝因通过高压电流而发生的*** 还有雪崩、***、高速粒子撞击物体表面等。/(b) 化学***(chemical cxplosion) 在能量释放过程中发生化学变化，形成了新的化学物质 包括***或******、可燃粉尘的*** ******速度快/其速度每秒高达数干到万米，所形成的气体温度可达3000一5000 c，压力可达几十万大气压 （c） 核***(nuclear cxplo

15、sion) 核***是系统在能量释放过程生成了新的元素例如原******，铀的原子核发生裂变(fission) ***(hydrogenbomb)***是氘和氚的核聚变(fusion)/***的***分类及起爆机理 ***的燃烧、***和爆轰(deflagration，explosion and detonation)这三种反应都是从某一局部开始，然后以波的形式在***中自持地传播 在已改变区与末改变区之间有一个很窄的化学反应置，化学反应就在这个区域中激烈地进行，这个狭窄的区域称作化学反应波阵面，它以一定的速度向未反应区的***传播/***的起爆机理 ***在热、电、光、机械摩擦、机械撞击以及冲击波作用下可能发生***

16、热直接作用下的热***理论 机械作用下的热点学说 强冲击波作用下的起爆理论/凝聚***的CJ爆轰理论/耦合装药：/不耦合装药：/钻孔***中***荷载的确定/***荷载历程曲线/***荷载和***震动作为影响地下洞室、高边坡动力稳定性的重要因素而一直得到关注 岩体瞬态开挖卸荷诱发动力扰动是高地应力条件下的重要动力学现象，在二滩、瀑布沟等地下厂房开挖过程出现的动力破坏现象中得到验证/6/2/3 开挖荷载的瞬态卸荷/瞬态卸荷的物理概念/弹簧变形/二滩水电站地下厂房开挖过程中出现了两次大范围围岩变形突变并伴随剧烈岩爆事件 第一次由2号尾调室南端底板与下部已开挖尾水洞一次性贯穿所引起 第二次大范围围岩变形突变及岩爆

17、由2号机窝一次性贯穿引起/尾调室底板与下部已开挖尾水洞一次性贯穿造成了2号尾调室上游边墙中上部岩体变形量突增3060mm，同时诱发了附近岩体大范围开裂及岩爆，特别是12号尾水管之间，岩柱中段因严重岩爆而抛射的方量达150m3 2号机窝一次性贯穿诱发邻近岩体大变形，最大变形突变量达2441/5mm；并造成邻近衬砌钢筋混凝土开裂、厂房吊顶上抬及4根175t级锚索拉断/开挖荷载的瞬态卸荷过程/研究对象： 直径为10 m的圆形隧洞，全断面钻爆开挖/图1 圆形隧洞开挖***设计示意图/表象：形成新开挖轮廓面； 准静态观点：在新形成的围岩开挖轮廓面上实现开挖荷载缓慢卸荷的过程 岩石动力学观点：开挖轮廓面上开

18、挖荷载的瞬态卸荷过程/准静态过程：加、卸载引起的应变率在10-510-1/s范围，此时可忽略介质的惯性力； 动态过程：应变率大于10-1/s，不能忽略惯性力/开挖荷载的确定/开挖荷载的确定/开挖荷载的瞬态卸载过程 为复杂的三维动力卸载问题 需以应力边界条件和应力初始条件准确描述伴随岩体新开挖面（卸荷边界）形成与发展过程开挖荷载瞬态释放的方式、开始部位及其空间演化规律 作为简化和近似，开挖荷载的瞬态卸荷可采用线性卸荷、负指数卸荷和1/4余弦波卸荷等不同卸荷方式/开挖瞬态卸荷的持续时间/爆轰波在装药段内的传播时间 爆生气体驱动的***孔间岩石裂缝扩展贯通时间 ***孔间裂缝贯通后高压***气体的卸载时间/岩体初始应力的线性瞬态卸荷过程/水电部门，露天深孔台阶***中常采用的***孔参数范围：钻孔直径为70150mm，孔间距25/0m，台阶高度816m。考虑采用常用的2#岩石******或***化***，其爆速为35004500m/s；***荷载作用下裂纹扩展平均速度取0/2-0/3倍的纵波速度 Cp；高压***气体的声波波速取10001500m/s；由此可以推断，在岩体***开挖过程中，新开挖面的形成时间约为10100ms。 岩石***现场高速摄影资料表明 ：***过程，被爆

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