（岩土工程专业论文）应力波在节理岩体中传播模型实验研究.pdf

应力波在节理岩体中传播模型实验研究摘要本文的实验研究工作是在地下技术与岩石工程( u n d e r g r o u n dt e c h n o l o g ya n dr o c ke n g i n e e r i n g ( u t r e ) ) 项目的资助和引导下完成的。地下技术与岩石工程项目是由新加坡国防科学技术委员会与新加坡南洋理工大学防护科学技术中心共同研究开发的科研项目。世界上有许多中小国家像新加坡一样，由于国土面积十分缺乏，已经严重制约了该国的社会经济的进一步发展，所以地下空间的开发和利用变得越来越重要。通常情况下，所开发的地下空间结构都会深入到地下岩层甚至岩层以下，而且要求在普通的爆炸或者地震荷载作用下结构仍然能够安全使用，然而地下结构的安全状态和性能在很大程度上依赖于周围地质材料的性质和状态，所以从这个目的出发，研究工程岩土的静力属性和动力特性，以及相关的地下空间结构开发利用问题，都是十分有必要的。天然岩体与大多数工程介质材料不同，除了介质材料本事，其中还存在大量不连续面，包括如断层、节理、裂隙等不同的尺寸形态，在岩石工程中统称为节理。岩石节理的存在造成了岩体的不连续和不均匀，进而显著地影响了岩体的各种工程性质，包括其力学性质，震动、渗透以及热传导性能。所以要解决岩体相关的问题就必须考虑节理的影响，以至于怎样研究和解决节理及其对岩体性质的影响，在岩石工程力学中也显得越来越为重要。本文出于项目研究需要，依据一维弹性波的传播规律，通过霍普金森杆实验模拟应力波在节理花岗岩体介质当中的传播，结合b u k i tt i m a h 地区花岗岩的工程地质条件，分析了影响花岗岩节理对应力波传播的各方面因素。经比较分析，筛选出三个主要的、对应力波传播影响较大的因素：节理宽度、节理层填充物的含水量、以及入射波能量等因素，即确定为实验模型研究考虑的模拟因子。分离式霍普金森压杆装置依靠其精确的测量能力，已经成为当代用于测试材料动态响应的权威性实验技术方法。为了取得较好的试验结果，实验中霍普金森杆装置在传统装置的基础上改进，主要是采用花岗岩材料的霍普金森杆，另外，用于产生应力波的冲击锤是一套自制的摆锤。通过以上装置和实验，进行应力波在节理岩体中传播模型实验研究。基于因素采用霍普金森杆装置对模型节理进行动态实验，结果表明，当应力波透过单层节理传播时，应力波的透射率将随着节理层厚度的增加而减小，并随着填充细砂含水量的增加而减小，且随着入射波能量的增加而增加。将实验得到的动态和静态实验中的模型节理的应力一应变关系对比动态实验结果发现，由于动态实验条件下的加载率较大，模型节理层当中的应变随应力增加的幅度往往比静态实验条件下的大，即当模型节理层当中产生的应力大小相同时，砂层在动态实验条件下产生的应变比较大。关键词：节理岩体；应力波；影响因素；分离式霍普金森压杆l ls t u d yo ft e s t i n gm o d e lo ns t r e s s 、7 l e a v ep r o p a g a t i o ni nr o c kw i t hj o i n ta b s t r a c tt h es t u d i e si nt h i st h e s i sa r es u p p o r t e da n do r i e n t e db y ( t r r r e ) p r o g r a mw h i c hi saj o i n tr & dp r o g r a mb e t w e e nt h ed e f e n s es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya g e n c y ( d s t a ) a n dt h ep r o t e c t i v et e c h n o l o g yr e s e a r c hc e n 仃e ( p t r c ) ，n a n y a n gt e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y i nm a n yc o u n t r i e ss u c ha ss i n g a p o r e ，t h es u r f a c el a n di sv e r ys c a r c e w h i l et h ec o u n t yi sr a p i d l yd e v e l o p i n gb o t he c o n o m i c a l l ya n ds o c i a l l y , t h el i m i t e dl a n ds p a c em a yo b s t r u c tf u r t h e rd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e s ot h eu s eo fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t i nm a n yc a s e s ，t h e s es t r u c t u r e sa r ee m b e d d e di nr o c ko ru n d e rr o c kl a y e r s a n dt h e s es t r u c t u r e sa r ee v e nr e q u i r e dt oo p e r a t es a f e l yu n d e rh i g hs t r a i nr a t ec o n d i t i o n ss u c ha st h o s ec a u s e db ye x p l o s i o n so re a r t h q u a k e t h eb e h a v i o ra n ds a f e t yo fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e sv a s t l yd e p e n d so nt h er e s p o n s e so ft h es u r r o u n d i n gm e d i u mt os u c hc o n d i t i o n s s of o rt h i sp u r p o s e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ep r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gs t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e s ，o ft h eg e o l o g i cm a t e r i a l sa n do t h e rs u b j e c t sa b o u tt h eu t i l i z a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c e d i s t i n g u i s h e df r o mo r d i n a r ye n g i n e e r i n gm e d i a ，r o c km a s s e sc o n s i s to ft w oc o m p o n e n t s ：r o c km a t e r i a l sa n df r a c t u r e s c o m m o n l yi nr o c ke n g i n e e r i n g ，f r a c t u r e si st h et e r mu s e da sac o l l e c t i v et e r mf o ra l ld i s c o n t i n u i t i e so rf e a t u r e s ，r a n g i n gi nd i f f e r e n ts i z e s ，i nar o c km a s ss u c ha sj o i n t s ，f a u l t sa n ds oo n t h er o c kf r a c t u r e su s u a l l yp r o d u c et h ed i s c o n t i n u o u sa n di n h o m o g e n e o u sn a t u r eo ft h er o c km a s s e s ，a n ds i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ep r o p e r t i e sa n de n g i n e e r i n gb e h a v i o r so ft h er o c km a s s e s ，i n c l u d i n gt h e i rm e c h a n i c a l ，s e i s m i c ，h y d r o l o g i ca n dt h e r m a lp r o p e r t i e sa n db e h a v i o r s s oc o n s i d e r i n gf r a c t u r ee f f e c t si sap r i m a r yr e q u i r e m e n tf o rs o l v i n gp r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t hr o c km a s s e s ，a n dt h e1 1 1d e v e l o p m e n to fr e s e a r c ha n dm e t h o d sf o rr o c kd i s c o n t i n u i t i e sa n dt h e i re f f e c t so nr o c km a s s e sh a sb e e nad i s t i n c t i v ef e a t u r eo fr o c km e c h a n i c sa n dr o c ke n g i n e e r i n g i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fo n e d i m e n s i o n a le l a s t i c w a v ep r o p a g a t i o n ，t h es h p bt e s t sw e r ec a r d e do u tf o rs i m u l a t i o n so fw a v ea t t e n u a t i o na c r o s st h ed i s c o n t i n u o u sg e o l o g i c a lm e d i aw i t hf r a c t u r e s t h ea i mi st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fw a t e rc o n t e n t s ，t h i c k n e s so fs a n dl a y e ri nf r a c t u r e sa n dt h ei m p a c te n e r g yo fs t r e s sw a v e ，w h i c ha r ec o n s i d e r e dt ob et h es i g n i f i c a n tf a c t o r so f t h em o d e li nt h es t u d y t h es p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ( s h p b ) i sas t a n d a r de x p e r i m e n t a lt e c h n i q u en o w a d a y sf o rp e r f o r m i n gt e s t su n d e rd y n a m i cl o a d i n g i t ss u c c e s si sm a i n l yd u et ot h ea c c u r a c yo fi t sm e a s u r e m e n t s f o rab e r e rt e s tr e s u l t t 1 1 em a t e r i a lo ft w op r e s s u r eb a r sa r em a d eo fg r a n i t e ，a n dt h es t r i k i n gh a m m e ri sap e n d u l u m s t r e s sw a v ep r o p a g a t i o ni nr o c kw i t hj o i n tw i l lb es t u d i e dw i t ht h em o d i f i e ds h p bs e t u p 。a c c o r d i n gt ot h et e s ta n ds t u d yr e s u l t s ，t h em a g n i t u d eo fs t r e s sd e c r e a s ew i t ha ni n c r e a s ei nt h et h i c k n e s so fs a n dl a y e r , a n dt h ep e a ks t r e s so ft h et r a n s m i t t e dw a v e sa l s od e c r e a s ew h e nw a t e rc o n t e n ti n c r e a s e s ，b u ti n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h ei m p a c te n e r g y c o m p a r i n gt h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd y n a m i ca n ds t a t i ct e s t s ，t h es t r a i nr a t eu n d e rt h ed y n a m i ct e s ti sh i 【g h e rt h a nt h es t a t i ct e s tb e c a u s eo fal a r g e rl o a d i n gr a t e s ot h e r ew i l lb eal a r g e rs t r a i ni nt h ed y n a m i ct e s tw h e nt h es t r e s so fs a n dl a y e ri st h es a m ei nt h es t a t i ct e s t k e yw o r d s ：r o c kw i t hj o i n t ；s t r e s sw a v e ；e f f e c t i v ef a c t o r ；t h es p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人声明：所里交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。论文作者签名：撕7 年月f 吕日学位论文使用授权说明本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。请选择发布时间；d 即时发布口解密后发布( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定)论文作者签名弗啦导师嘲年6 具8e l应力波在节理岩体中传播模型实验研究第一章绪论1 1 工程项目来源及意义世界上有许多中小国家像新加坡一样，由于国土面积十分缺乏，已经严重制约了该国的社会经济的进一步发展，所以对地下空间的开发和利用变得越来越重要。通常情况下，这些地下空间结构都会深入到地下岩层甚至岩层以下，而且要求在普通的爆炸或者地震荷载作用下仍然能够安全使用。然而地下结构的安全状态和性能在很大程度上依赖于周围地质材料的性质和状态，所以从这个目的出发，研究工程岩土的静力属性和动力特性，以及相关的地下空间结构开发利用问题，都是十分有必要的。u n d e r g r o u n dt e c h n o l o g ya n dr o c ke n g i n e e r i n g ( u t r e ) ，即项目，是新加坡防护科学与技术委员会与新加坡南洋理工大学共同研究、开发的科研项目。该项目的研究周期自2 0 0 4 年至2 0 0 8 年，共为5 年。1 1 1 项目的研究目的该工程项目的研究目的如下：a 对地下防护工程具有直接或者潜在应用价值的技术进行基础且实用地研究；b 为政府防护部门的地下洞室发展计划提供科研支持；c 计划并在南洋理工大学实施地下洞室建设的可行性试验研究；d 提供技术培训以及技术转让。1 1 2 项目研究内容该项目研究内容由四个方面组成，这四个方面的内容一共囊括t a 个子项目，分别为：a ：岩石的动力与材料特性a 1 动力荷载下岩石力学与材料特性a 2 动力及冲击荷载下岩石的断裂力学性质b ：模拟、设计与施工b 1 地下结构数值模拟的发展b 2 有关岩洞和隧道的岩石工程力学应力波在节理者体中传播树l 墨芝实验研究b 3 地下结构现场施工作业的综合监测c ：建筑地表以下结构设计及三维地质信息系统c 1 建立建筑地表以下结构设计所需的三维地质信息系统d ：安全、健康和环境问题以及建筑结构监测d 1 地下洞室和隧道的消防安全d 2 地下环境、经济和社会问题1 2 所研究的问题在项目中的关系在 项目的第一个子项目a 当中，其主要研究目的和内容为：a ：岩石的动力与材料特性a 1 动力荷载下岩石力学与材料特性a 2 动力以及冲击荷载下岩石的断裂力学性质这个子项目的工作主要集中在研究用于防护设施的各种材料的动力属性。所研究的材料主要是来自新加坡的岩石，以及普通混凝土和加筋混凝土。其他材料如当地的土、金属以及一些特殊材料，如果有需要也会一并进行研究。整个研究过程是由试验来导向的。霍普金森杆动力冲击试验、氢气炮穿透试验将贯穿整个项目研究过程。而试验的结果将会从根本上体现各种被研究材料的动力特性和本构关系。进而，利用解析和数值方法建立岩石和混凝土的本构关系。这种本构关系将会从本质上揭示所研究材料在动力冲击、爆炸以及穿透荷载作用下的动力属性。通过理论分析和试验研究建立微观力学损伤模型公式。这些模型将被添加到商业软件当中，为今后特殊条件下求解提供正确的参数选择。那么，按照项目计划要求，相应的试验安排将贯穿整个项目研究过程。其中，依据一维弹性波的传播规律，用霍普金森杆试验模拟应力波在不连续岩土介质当中的传播，目的是要研究节理尺寸、填充物的含水量、密度等等因素变化对应力波传播的影响。为了取得较好的试验结果，实验中霍普金森杆的材料选用的是花岗岩，即使用的是花岗岩圆杆作为实验装置当中的输入杆和输出杆，另外，用于产生应力波的冲击锤是一套自制的摆锤。通过以上装置和实验，进行应力波在节理岩体中传播模型实验研究。2广西大掌硕士掌位论文矗力波在节理者体中传播掴型实验研究1 3 预研究问题的研究现状1 3 1 岩石节理图1 1 不连续介质f i g 1 1d i s c o n t i n u i t yg e o m e t r y图1 2 典型解理的岩体f i g 1 2t y p i c a lj o i n t e dr o c km a s s应力波在节理岩体中传播模型薯 验研究天然岩体与大多数工程介质材料不同，除了介质材料本身，其中还存在大量不连续面( 如图1 1 和图1 2 ) ，包括如断层、节理、裂隙等不同的尺寸形态，在岩石工程中统称为节理。岩石节理的存在造成了岩体的不连续和不均匀，进而显著地影响了岩体的各种工程性质，包括其力学性质、震动、渗透以及热传导性能。所以要解决岩体相关的问题就必须考虑节理的影响，以至于怎样研究和解决节理及其对岩体性质的影响，在岩石工程力学中也显得越来越为重要”。1 3 2 节理对应力波传播的影响由于岩体含有细小的断层、节理以及软弱夹层，使得岩体结构不连续，于是对应力波的传播产生了很大的影响。对于频率较低，波长远大于节理宽度尺寸的应力波的传播，一般认为不会受到节理的影响，但是对于那些靠近震源的高频波，节理通常会起到一种滤波的作用，这是因为这些高频波的波长较短。1 。在此，本文将针对有关节理对应力波传播的影响的理论和研究成果进行简要地回顾，但是由于相关的理论和研究成果实在太多，所以本文的论述未必能够完全详尽。国内外许多研究者从理论和实验两方面就节理对应力波传播的影响进行了大量研究。例如，s t e p h a n s s o n “等人在现场试验中观测到，当应力波透过一节理层传播时，应力波的透射率会随着入射波能量的增加而增加；k a n e k o “1 等研究发现因为节理的存在，岩石中的应力波将会发生很明显的衰减，并指出这是由于节理使岩体作为一个整体的物理性质发生了变化，而应力波的衰减对这种变化很敏感；c r 锄# n “1 也指出岩石节理使应力波的衰减呈现出各向异性；l ( i n g ”1 等测量了高频波垂直或平行于节理传播时的波幅和传播时间，结果表明，与平行节理方向相比，垂直于节理方向传播的波的高频衰减更大，质点速度降低得更多；另外，m y e r 0 1 等在室内进行单层节理的声波透射实验，实验当中，节理的两侧的接触面积设计成可调以便控制界面的硬度，并同时测定透过节理的应力波，实验结果证实其中应力波的传播过程与位移不连续理论相当吻合，即界面处的位移是不连续的。国内也有不少学者和工程人员进行了相关的理论和实验研究，例如，张奇。1 和胡修文“”研究p 波垂直入射到有一定厚度节理处的传播过程，并探讨了充填物性质对应力波传播的影响；王明洋1 运用应力波通过裂隙传播理论，分析了应力波通过节理裂隙带的衰减规律。4广西大掌硬士掌位论_ a g应力波在- , o r 理岩体中传播模型鲁；验研究根据以上研究结果可知，节理对应力波传播的主要影响表现在以下三个方面：( 1 )信号衰减；( 2 ) 信号延迟；( 3 ) 高频滤波。应力波传播通过节理时的衰减在实质上表现为传播过程中应力波振幅值的减小。应力波在不连续介质中的衰减是由于波在不连续界面的反射，折射以及饱和介质对应力波传播的粘性阻尼作用所引起的。x u 和k i n g “4 总结指出，根据入射波透过的节理的尺寸以及物理力学性质的不同，透射波振幅的减小或是因为节理及填充物的粘性阻尼作用使入射波在透过节理时发生能量消散，或是因为应力波穿过节理时发生了散射以及反射，而此时入射波的能量并未发生真正意义上的损耗。第一种衰减因为存在真正的能量损失，称为固有衰减( i n t r i n s i ca t t e n u a t i o n ) ；第二种衰减没有真正意义上的能量损失，称为形式衰减( a p p a r e n ta t t e n u a t i o n ) 。同时，许多研究人员也对应力波在岩石节理中的传播进行了大量的理论分析和数值模拟。一般来说，研究人员主要通过两种途径来展开研究，一种是研究单节理的影响 t 3 - 1 4 ；另一种是运用有效介质原理来考虑不连续界面的总体影响o ”。通常第一种途径是针对大尺寸节理，而第二种方法则多用于存在大量细小而密集裂隙的情况。对于具有一定厚道且含有液体或者固体填充物的节理，一般将其视为均匀介质当中导致应力波传播速度降低的夹层。于是，研究相对于波长而言长度很大但厚度很小的节理，研究人员提出了位移不连续理论“”“1 ，即将节理视为位移场不连续，但应力场连续的边界。当两个不同材料介质半无限体有连续接触面，研究应力波在经过这类界面时的反射和透射，被看作是波动理论研究的经典范例，而位移不连续理论可以看作是在这种传统研究基础上的拓展。在正应力和剪应力作用下，节理可能会产生张开、闭合或者滑移等位移，这使得节理的位移场不连续。因此节理在正应力和剪应力作用下的位移场不连续，应力场连续这种应力应变关系可以用式( 2 1 2 4 ) 来描述。j o n e s 和w - h i t t e r “”从位移不连续理论研究出发，在试验中以弹性粘结物填充两个弹性平面接触、但不同材料的半空间体的介面，用以研究应力波在介面处的传播规律，结果显示在该介面处的位移场不连续值等于弹性粘结物产生的变形：o - ：= 仃：( 2 1 )5g - 西大学硕士掌位论文置力波在节理岩体中传播模型实验研究f ：，= f ：，( 2 2 )f 口2 f “。，“z 1 2 = 譬( 2 3 )“：一“：= 掣( 2 4 )其中，“为位移，0 为正应力，r 为剪应力，6 为弹性粘结物的厚度，f 和g 分别是弹性粘结物的杨氏模量和剪切模量，上标1 和2 表示两个不同材料的半空间体。该领域中对于单一节理的影响，已经进行了大量的研究。在位移不连续的相关理论体系中，强调从节理的各个特征的影响出发来考虑应力波的传播问题，例如考虑节理的某一特性的影响( 如硬度) ，或者单个节理的边界条件等等，而通常考虑某单一节理的对应力波传播的影响，可以根据应力波通过该节理时透射波相对于入射波的比例系数来评价。运用位移不连续模型，研究单一线性变形节理对波传播的影响，得出了大量的研究成果。对于线节理采用线弹性模型描述，而饱和含水节理用流变模型描述。对于单一线性变形节理，s c h o e n b e r g 和p y r a k - n o l t c ”提出了线弹性位移不连续模型，而且该模型已由室内和现场实验所证实。值得注意的是，应力波通过单一节理问题能够得到线性解，前提是入射波的不能太大以避免节理面发生非线性变形或者相对滑移。”，只有具备这种前提条件，才能求得节理变形的线性解，一般在对材料进行无损超声检测，或者对损伤的岩石进行研究鉴定时能够满足这种前提条件。然而无论是在正应力还是剪应力作用下，大多数节理的应变状态都是非线性的乜3 “。在理论上，节理的线性特征可以看作非线性特征的一种特例。为了得到适用的理论方法，必须建立非线性位移不连续模型，而在实践中，则要求在振幅较大的应力波穿过岩石节理时，考虑节理的非线性变形状态，例如，在邻近爆破点区域介质中的应力波传播，以及地下开挖和采矿过程中的岩石爆破与爆炸，都会涉及到节理的非线性变形。z h a o 和c a i ”针对节理法向非线性变形特性，采用非线性变形不连续模型与特征值法相结合，对p 波垂直入射到单一法向非线性变形干线节理的问题进行了理论研究，获得了节理透射和反射系数的数值解，并指出，除了节理面的初始硬度和入射波的频率之外，入射波的振幅值和节理的最大允许闭合量也会对应力波的传播有显著的影响。王卫华从试验、理论和数值模拟三方面对节理动态闭合变形性质和应力波在节理处的传6广西大掌硕士掌位论文应力波在节理岩体中传播模型实验研究播规律进行了系统的研究，运用节理非线性位移不连续模型，建立了应力波在张开节理处传播的简化模型。此外，有效介质原理“”通常用于研究应力波在微小而密集的裂隙当中的传播，在有效介质原理体系中，将空隙以及裂隙视为有效介质，总体考虑它们对应力波的波速和振幅的衰减作用。有效介质原理的不足之处在于忽略了各个节理对振幅衰减的独特作用且没有考虑与频率有关的振幅及振动速度。总而言之，要得到应力波在节理面传播的正确解，关键是要适当地考虑节理面在应力波传播过程中的应变状态，因为这直接影响到节理本身的应力一应变关系。本文将着重探讨在室内动力荷载下，压缩波在包含填充物的单一节理处的传播规律，其中应力波垂直节理面入射，节理填充物的厚度和含水量皆可调，且相对入射波长来说，节理长度很大但厚度很小。此外，实验主要是在改装的霍普金森压杆装置上进行的。1 4 研究的目的与途径图1 3 新加坡地质结构图f i g 1 3m a po fs i n g a p o r eg e o l o g i c a lf o r m a t i o n s从图1 1 所示的地质图可看出，新加坡国土有三分之一的面积为花岗岩所覆盖( 主要集中在b u k i tt i m a h 和g o m b a k 两个区域) ，调查发现“，花岗岩天然结构中存在大7广西大掌硕士学位论文应力波在节理岩体中传播模型实验研究量节理，且节理常被砂、土等材料填充，另外，岩体也因为受n # i - 界各种荷载而发生了一系列的应力应变作用。作用于岩体的外加荷载产生的原因的各种各样的，例如，位于邻近海洋的地质结构会因为海水的潮汐作用而不断受到动力荷载的作用。除了天然地质结构，新加坡有很多军事与民用建筑都以花岗岩作为主要结构材料，尤其是一些地下工程结构，这些结构随时都会受到动力外荷载的作用，例如，地震，各种形式的爆炸( 如爆破或瓦斯爆炸) 荷载，那么在相关结构的设计过程中就必须考虑结构可能会受到的动力荷载作用，而不能只考虑结构受到的静力荷载作用。基于以上项目研究及工程背景，本文将根据一维弹性波的原理，在霍普金森压杆装置的基础上，模拟动力荷载产生的一维纵波在不连续地质材料中的传播规律，其目的是研究岩石节理的动态响应。为了取得更好的试验效果，实验装置中的两条霍普金森杆其材料采用花岗岩，而用来产生入射波的冲击锤是一个自行设计的摆锤。根据研究内容要求，本文拟采取如下技术路线：1 ) 重点是查阅一些有关岩石节理、应力波传播、霍普金森压杆等方面的文献资料；2 ) 根据一维弹性波的原理，在霍普金森压杆装置的基础上，模拟动力荷载产生的一维纵波在不连续地质材料中的传播规律，达到研究节理岩体的动态响应的目的。为了取得更好的试验效果，实验装置中的两条霍普金森杆其材料为花岗岩，而用来产生入射波的冲击锤是一个自行设计的摆锤；3 ) 用于模拟节理的试样是夹在两根霍普金森压杆中间的一道砂层，在试验中，砂层的密度固定，但其厚度和含水量都是在一定范围内可调的；4 ) 基于相关试验以及数据处理结果，研究节理尺寸、填充物的含水量以及入射波能量等等因素的变化对岩石中应力波传播的影响，从而研究包含填充物的岩石节理的动态响应5 ) 比较动态与静态实验条件下模型节理的应力一应变关系。值碍注意的是，本文的试验研究侧重于岩石节理对于应力波振幅值的影响，而岩石节理对应力波传播的衰减作用是解决相关地球物理学、地震研究、岩石动力学，防护工程学以及地震工程问题的根本所在，例如在地震学中，研究振动波振幅的衰减是探讨岩石节理影响的有效途径”，因为相对于应力波传播速度而言，岩石节理对应力波振幅值的衰减作用要敏感且明显得多。”。另外，在岩石防护工程学当中，要评估地震，爆炸8应力波在节理岩体中传播模型实验研究以及爆破等动力载荷下岩体的稳定性或损伤程度，考察岩石节理对应力波的振幅的衰减作用将会是一项很重要的依据，因为岩体结构破坏的评价标准中常常涉及到岩石节理的最大位移值、最大质点速度或者最大加速度伽，这些参量都与振幅极限值有直接的关系。1 5 本文的结构组成本文一共有五章。第一章介绍了本文的研究背景，然后简要回顾了岩石节理对应力波传播的影响，并列出了本文的研究目的和途径；第二章，通过查阅文献，综述了新加坡的地质情况，并详细介绍了实验当中采用的，采自新加坡武吉知马( b u k t t i m a l l ) 的花岗岩石样的工程性质；第三章，探讨了一维弹性波的传播以及霍普金森压杆的相关理论；第四章，详细阐述了霍普金森试验操作和数据处理，并与相应材料的静力试验结果做比较分析，以达到模拟动态荷载作用下岩石节理动态响应的研究目的；第五章分析和总结研究结果，并提出一些建议以及下一步研究内容。9广西大掌硕士掌位论文应力波在节理岩体中传播模型实验研究第二章新加坡的地质概况2 1 新加坡的地质概况新加坡位于赤道以北大约8 0 公里处的马来西亚半岛最南端，国土面积将近6 5 0 平方公里，受热带海洋气候影响，新加坡常年炎热、多雨、潮湿，平均气温2 6 7 ，每月平均降水量约1 9 6 m m ，湿度达8 4 。新加坡的地质构成材料只要有以下四种类型：1 ) 岩浆岩，包括北部b u k i tt i m a h 的花岗岩和中北部g o m b a k 的辉长岩；2 ) 沉积岩，主要分布在西部和西南部的j u r o n g 地区：3 ) 第四纪冲击层沉积土，主要分布在东部；4 ) 新沉积土，除大部分集中分布于k a l l a n g 一带，还有一部分同海洋冲积残积土一样，广泛分布于整个新加坡岛。圈2 1 新加坡地质概况图f i g 2 1m a po fs i n g a p o r eg e o l o g i c a lf o r m a t i o n s从图2 ，1 所示的地质图上看，b u k i tt i m a l l 地区的花岗岩覆盖了新加坡三分之一的国土面积，由于国土资源的缺乏，新加坡政府非常重视在花岗岩层中开发和使用地下空间1 0广西大掌硕士掌位论文应力波在节理岩体中髑日相蠡4 实验研究( 图2 2 ) ，近年来，该国政府已投入了大量人力财力，研究如何在b u k i t t i m a h 地区花岗岩层开发和使用各种功能的地下空间。图2 2 地下空间开发r i g 2 2d e v e l o p m e n to f u n d e r g r o u n ds p a c e2 2b u k i tt i m a h 花岗岩的基本性质根据工程地质勘察以及现场和室内试验结果，本文将对b u k i tt i m a h 花岗岩的基本性质进行简要的描述。2 2 1 矿物成分新加坡b u k i tt i m a h 地区的花岗岩的矿物成分以石英二长石和花岗闪长岩为主，与其他一些杂质混合结晶而成“”，岩石大体上呈浅灰色并含有大量结核( 2 5 r a m ) ，结晶结核的主要矿物成分是石英( 3 0 徇，长石( 6 0 6 5 ) ，黑云母和角闪石( 5 l o ) ，还有少量粉红色的正长石结核。这些矿物成分经过结晶作用后致密地结合在一起，从而在结构上为花岗岩具备高强度提供了前提。2 2 2 风化程度和岩床的海拔高度野外勘察发现，b u k i tt i m a l i 地区的花岗岩的风化程度较高，其主要形式是化学腐蚀造成的风化，再加上新加坡潮湿的热带气候，使其风化速度加快“。通常花岗岩上都被一层残积土所覆盖，残积土中含有少量的砾石。利用电子设备进行野外测试得知“”，1 1应力波在节理岩体中传播模型实验研究残积土覆盖层的厚度从几米到7 0 米不等，一般厚度在2 0 5 0 m 之间。花岗岩经风化而成的残积土主要为粘性砂质淤泥，在一些地方，甚至发现该风化土层之上还覆盖有一定厚度的微红褐色的砂质粘土层，这说明该处的残积土已经进入了二次风化阶段。随着深度的增加，风化残积土的粒径随之增大，说明花岗岩的风化程度随着深度的增加而减小：风化残积土的成分较为稳定，但是其中的粘土含量明显随深度增加而减小；风化残积土虽质硬，但经风化之后基本上已经完全没有了岩石本身的结构和强度，在很多靠近风化界面的残积土层中，硬度等级通常会突然下降好几级，且花岗岩的风化界面大多呈层状，有关该地区花岗岩的风化程度，很多学者“。都有过深入的调查研究。在绝大多数野外勘察现场，花岗岩的岩床走势都大体上与覆盖层上表的走势相一致，而且风化残积土层的厚度也是比较均匀的，其厚度约为3 0 m ，尽管其厚度较为均匀，但在海拔较高的山丘上的残积土层厚度通常较薄，而在海拔较低的位置，其残积土覆盖层厚度则相对较厚一些。因此，该地区岩床的海拔高度一般在上覆残积土层表面以下3 0 m 左右的位置。2 2 3 岩体及节理的力学性质”对b u k i tt i m a l l 花岗岩进行室内试验，结果显示，试样的单轴抗压强度大约为1 9 0m p a ，杨氏模量为8 3 6g p a ，泊松比为o 2 5 ，抗拉强度和点荷载强度指数分别为1 6 6m p a和6 5 ，等等。通过各种试验得到的花岗岩试样的各项物理力学参数见于表2 1 。表2 1b u k i tt i m a h 花岗岩的物理力学性质t a b l e2 1p r o f i l e so f t h ef r e s hi n t a c tb u “tt i m a hg r a n i t e如图2 3 所示，在压缩实验中，岩石试样受压直至破坏，结果显示其应力一应变曲线大致呈线性关系。这就意味着在花岗岩的数值模拟计算中，可采用线弹性模型进行模拟计算，这对大多数数值模拟软件来说都是比较方便的。b u k i tt i m a l l 地区的花岗岩中的天然节理大多是接近垂直的，但节理尺寸常变化不1 2应力波在节理岩俸中传爿h 羹翟0 实验研究一。工程人员常常根据节理分布形态将其划分为不同的类型，例如有些节理很长。节理面细部粗糙但总体平直且闭合；有些节理被地下水充满，而有些节理则被其他矿物材料所填充，这些填充材料包括砂、粘土或方解石等等。通过视觉可判断节理面大多已经风化和变质，而且在节理面上覆盖着一层杂质斑点，其中包括一些粘土。尽管存在一定量的节理，但在一些节理较少的位置，花岗岩的完整度( r q d ) 可接近1 0 0 ，这说明b u l d tt i m a h 地区的花岗岩层非常适合用于开发地下空间，同时该地区的花岗岩层也因为外界各种荷载作用而发生了一系列的应力应变作用。t s 0叠=西霎1 0 0笔墨3 0o山2- olou io zu )l a t e r a ls t r a i n ，la x i a ls t r a i n 。图2 3 单轴抗压实验中花岗岩的应变特征f i g 2 3d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f t h eg r a n i t eu n d e ru n i a x i a lc o m p r e s s i o n取b u l d tt i m a h 地区的花岗岩试样若干，分别对天然岩石节理和新裂开的节理进行室内直剪实验，其中的两组天然节理的试样，当受不同法向应力作用时的最大抗剪强度如图2 4 所示，实验结果显示，天然节理的抗剪强度要低于新裂开的节理的抗剪强度，这个结果正是因为天然节理面已经风化和变质。新裂开的节理面粗糙有棱角，且无杂质，而另一方面，天然节理面大多已经风化和变质，而且在节理面上覆盖着许多杂质斑点，其中包括一些粘土，这些杂质直接降低了节理面的抗剪强度。实验结果还显示，天然节理的剪切角大概在3 5 4 5 。之间，而新裂开的节理面的剪切角可高达7 5 。1 3j - - 西大掌硬士掌位论文应力渡在节理岩俸中传播捆型实验研究图2 4 两组b u k i tt i m a h 花岗岩天然节理的最大抗剪强度f i g u r e2 4p e a ks h e a rs t r e n g t ho f t w on a t u r a lj o i n t si nt h eb u k i tt i m a hg r a n i t e2 2 4 渗透性“”工程人员利用野外实验方法测试b u k i tt i m a h 地区花岗岩的渗透性，其方法是在稳定水压条件下，通过测量钻孔当中水头高度的升降值来确定该钻孔周围花岗岩层的渗透性。实验结果显示，b u k i tt i r n a h 地区花岗岩的结构密实，其渗透流量为1 0 1 0 1 0 1m 3 s ，在含有少数封闭节理的地带，其岩石的渗透流量可达到1 0 t 1 0 “m 3 s ，且总体上岩层的渗透能力随着深度的增加而减小，这跟岩体的密实程度有一定关系，即总体上岩体的密实程度随着深度的增加而增大。2 3 试样来源本文实验中所采用的花岗岩试样都是选自b u k i tt i m a h 地区现场勘察的钻孔岩芯“耵( 图2 5 图2 6 ) 。根据研究目的需要，将对实验中采用的花岗岩材料进行室内常规的物理力学实验，以便综合确定实验中所涉及的花岗岩的物理力学性质，该部分实验及结果将在第四章当中进行介绍。1 4g - 西大掌硕士掌位论文应力波在节理岩体中传播模型实验研究图2 5 钻孔岩芯( a )f i g 2 5r o c kc o r e s ( a )图2 6 钻孔岩芯( b )f i g 2 6r o c kc o r e sc o )1 5广西大掌硕士掌位论文应力波在节理岩体中传播模型9 4 驰 研究第三章应力波理论和霍普金森杆试验原理3 1 应力波的基本概念3 1 1 应力波的产生当外载荷作用于可变形固体的局部表面时，一开始只有那些直接受到外载荷作用的表面部分的介质质点因变形离开了初始平衡位置。由于这部分介质质点与相邻介质质点发生了相对运动，必然将受到相邻介质质点所给予的作用力，同时也给相邻介质质点予反作用力，因而使相邻介质质点离开平衡位置而运动起来。由于介质质点的惯性，相邻介质质点的运动将滞后于表面介质质点的运动。依此类推，外载荷在表面上引起的扰动将在介质中逐渐由近及远传播出去。这种扰动在介质中由近及远的传播即是应力波。其中的扰动与未扰动的分界面称为波阵面，而扰动的传播速度称为应力波的波速1 。实际上，引起引力波的外载荷都是动态载荷。所谓动态载荷( 也称动载荷) 指的是其大小随时问而变的载荷，载荷随时间的变化用加载率( 譬或车) 描述。根据加载o ta t率( 或者应变率害或d _ g ) 的不同，可按下表对外加载荷进行分类。表3 1 不同加栽率的载荷状态t a b l e3 1l o a d i n gc o n d i t i o n su n d e rd i f f e r e n tl o a d i n gr a t e3 1 j2 应力波分类3 1 2 1 按物理实质分类波的基本类型有纵波p ( 胀缩波) 和横波s ( 畸变波) 。它们的速度分别为c p 和c s 。p 波的振动方向与传播方向平行，s 波的振动方向则与传播方向垂直。1 6广西大掌硕士掌位论文应力波在节理岩体中传播模型实验研究3 1 2 2 按与界面的相互作用分类在界面相互作用时，纵波p 保持原来的意义。为了研