岩石力学课件---4.岩体的力学性质20061106.ppt

第第 四四 章章岩岩 体体 的的 力力 学学 性性 质质4-1 岩体的结构岩体的结构 岩体的结构岩体的结构是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结构划分为以下几种基本类型：体结构划分为以下几种基本类型：岩体结构岩体结构整体结构整体结构 层状结构层状结构 块状结构块状结构 碎裂结构碎裂结构散体结构散体结构层状结构层状结构 薄层状结构薄层状结构 镶嵌结构镶嵌结构层状碎裂结构层状碎裂结构碎裂结构碎裂结构4-1 岩体的结构岩体的结构一、整体结构一、整体结构 岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面 结合结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程尺寸。可良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程尺寸。可视为均质、各向同性的连续介质。视为均质、各向同性的连续介质。完整性系数完整性系数 0.75 结构面级别结构面级别 、V 结构面间距结构面间距 1m4-1 岩体的结构岩体的结构二、块状结构二、块状结构 节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割成节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割成柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显发育，构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小于工程几显发育，构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。何尺寸。结构面间距结构面间距 0.51 m 完整性系数完整性系数 0.350.75 结构面级别以结构面级别以、V为主为主 4-1 岩体的结构岩体的结构三、层状结构三、层状结构 由中厚（由中厚（0.10.5 m）及薄层（）及薄层（0.1m）的均一、坚硬、软）的均一、坚硬、软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。工程范围内，一组节理明显发育，在层内具有互相紧密叠合。工程范围内，一组节理明显发育，在层内具有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介质。质。完整性系数：层状完整性系数：层状 0.30.6；薄层状薄层状 0.4 结构面级别结构面级别:层状层状 以以、为主；薄层状为主；薄层状、显著显著 结构面间距：层状结构面间距：层状 0.30.5 m；薄层状薄层状 0.3 m4-1 岩体的结构岩体的结构四、碎裂结构四、碎裂结构 构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩石，岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩石，属不均一的不连续介质。属不均一的不连续介质。岩体岩体完整性系数完整性系数结构面间距结构面间距结构面级别结构面级别镶镶嵌嵌结结构构0.36 0.5m、级级密集密集层层状碎裂状碎裂结结构构0.4 0.5m、发发育育破碎破碎结结构构0.3 0.5m 4-1 岩体的结构岩体的结构五、散体结构五、散体结构 主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面相主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松散堆积当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松散堆积或压密堆积。属松散介质。或压密堆积。属松散介质。完整性系数：完整性系数：2a,矩形截面矩形截面.加压装置：千斤顶，应力枕。加压装置：千斤顶，应力枕。4-2 岩体的强度岩体的强度二、岩体强度的测定（现场测试）二、岩体强度的测定（现场测试）3、现场三轴强度试验、现场三轴强度试验（1）真三轴试验（真三轴试验（123)的强度计算的强度计算 在在123状态下，某一平面法线的方向余弦为状态下，某一平面法线的方向余弦为L,M,N。则。则 法向应力：法向应力：剪应力：剪应力：由上三式得：由上三式得：4-2 岩体的强度岩体的强度二、岩体强度的测定（现场测试）二、岩体强度的测定（现场测试）3、现场三轴强度试验、现场三轴强度试验（1）真三轴试验（真三轴试验（123)的强度计算的强度计算 分别令分别令L,M,N=0,则在则在-平面坐标内表示时三个应力圆。平面坐标内表示时三个应力圆。4-2 岩体的强度岩体的强度二、岩体强度的测定（现场测试）二、岩体强度的测定（现场测试）3、现场三轴强度试验、现场三轴强度试验（1）真三轴试验（）真三轴试验（123)的强度计算的强度计算 若令若令L=M=N=则得八面体正应力和剪应力：则得八面体正应力和剪应力：上式可写为：上式可写为：二、岩体强度的测定（现场测试）二、岩体强度的测定（现场测试）3、现场三轴强度试验、现场三轴强度试验（2）假三轴试验（）假三轴试验（1 3，23)的强度计算的强度计算 在在1 3，23状态下，可化为平面问题。状态下，可化为平面问题。法向应力：法向应力：剪应力：剪应力：由上二式得：由上二式得：上式在上式在-平面坐标内表示的曲线是应力圆。平面坐标内表示的曲线是应力圆。其圆心坐标为其圆心坐标为 ，半径为半径为 4-2 岩体的强度岩体的强度二、岩体强度的测定（现场测试）二、岩体强度的测定（现场测试）3、现场三轴强度试验、现场三轴强度试验（3）平面状态下的强度计算（）平面状态下的强度计算（1 3，20）此状态侧压力此状态侧压力20，为双向应力状态，为平面问题。其应力方，为双向应力状态，为平面问题。其应力方程与上相同程与上相同：法向应力：法向应力：剪应力：剪应力：应力圆方程：应力圆方程：其圆心坐标为：其圆心坐标为：半径为：半径为：4-2 岩体的强度岩体的强度一、岩体破坏的概念一、岩体破坏的概念 岩体在一定的应力条件下丧失其结构联结为岩体在一定的应力条件下丧失其结构联结为岩体破坏岩体破坏（丧（丧失承载力和稳定性）。岩体在结构丧失之后的移动或运动称为失承载力和稳定性）。岩体在结构丧失之后的移动或运动称为岩体工程结构的破坏岩体工程结构的破坏（影响工程使用、报废）。（影响工程使用、报废）。工程岩体破坏可分为两个阶段工程岩体破坏可分为两个阶段：1、岩体结构联结的丧失，包括结构面开裂、错动或滑移，结构、岩体结构联结的丧失，包括结构面开裂、错动或滑移，结构体拉伸破坏或剪切破坏；体拉伸破坏或剪切破坏；2、结构体移动或运动。、结构体移动或运动。4-3 岩体破坏机理岩体破坏机理二、二、岩体破坏机理岩体破坏机理 （一）拉伸破坏（一）拉伸破坏 1、垂直结构面方向的拉伸破坏。、垂直结构面方向的拉伸破坏。2、沿结构面方向的拉伸破坏。、沿结构面方向的拉伸破坏。3、完整岩体的拉伸破坏。、完整岩体的拉伸破坏。（二）剪切破坏（二）剪切破坏 1、沿结构面的剪切破坏、沿结构面的剪切破坏 2、切穿结构面的剪切破坏、切穿结构面的剪切破坏4-3 岩体破坏机理岩体破坏机理一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性 1、现场岩体的单轴和三轴压缩试验的应力应变全、现场岩体的单轴和三轴压缩试验的应力应变全过程曲线过程曲线4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性 2、典型的岩体应力应变全过程曲线、典型的岩体应力应变全过程曲线 4个阶段：个阶段：（1）裂隙压密阶段（）裂隙压密阶段（OA）：曲线上凹）：曲线上凹 （2）弹性变形阶段（）弹性变形阶段（AB）:呈直线呈直线 （3）塑性变形阶段（）塑性变形阶段（BC）：曲线下凹）：曲线下凹 （4）破坏后阶段（）破坏后阶段（CD）：）：残余强度残余强度D 峰值强度峰值强度C4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性 3、岩体变形曲线的基本形式、岩体变形曲线的基本形式（1）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体（2）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱（3）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物（4）S型：型：4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性直线型直线型 下凹型下凹型 上凹型上凹型 S S型型 一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性 4、岩石与岩体的应力应变曲线、岩石与岩体的应力应变曲线4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性二、二、岩体剪切变形特征岩体剪切变形特征-应力应变曲线应力应变曲线 岩体的剪切变形是许多岩体工程特别是边坡工程中最常见岩体的剪切变形是许多岩体工程特别是边坡工程中最常见的变形模式。的变形模式。在屈服点以下，在屈服点以下，变形曲线与压缩变形相似。屈服点以后，变形曲线与压缩变形相似。屈服点以后，岩体内某个结构面和结构体可能首先被剪坏，随之出现一次应岩体内某个结构面和结构体可能首先被剪坏，随之出现一次应力降，峰值前可能出现多次应力降。当应力增加到一定程度，力降，峰值前可能出现多次应力降。当应力增加到一定程度，没被剪坏部位以瞬间破坏的方式出现，并伴有一次大的应力降，没被剪坏部位以瞬间破坏的方式出现，并伴有一次大的应力降，然后可能产生稳定滑移。然后可能产生稳定滑移。4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性三、岩体各向异性变形特征三、岩体各向异性变形特征 1、特征：、特征：竖直向分布的节理岩体变形模量明显大于水平向分布节理竖直向分布的节理岩体变形模量明显大于水平向分布节理岩体的变形模量。岩体的变形模量。2、变形机制不同变形机制不同：（1）垂直层面的压缩变形量主要是由岩块和）垂直层面的压缩变形量主要是由岩块和结构面（软弱夹层）结构面（软弱夹层）压密压密汇集而成；层状岩体不仅开裂层面压缩变形量大，而且在汇集而成；层状岩体不仅开裂层面压缩变形量大，而且在成岩过程中，由于沉积规律的变化，层面出现在矿物连结力弱、成岩过程中，由于沉积规律的变化，层面出现在矿物连结力弱、致密度低的部位，这是垂直层面方向压缩变形量大的另一个原致密度低的部位，这是垂直层面方向压缩变形量大的另一个原因。因。（2）平行层面方向的压缩变形量主要是岩块和少量）平行层面方向的压缩变形量主要是岩块和少量结构面错动结构面错动而而成。成。4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性三、岩体各向异性变形特征三、岩体各向异性变形特征 3、构成岩体变形各向异性的两个基本要素：、构成岩体变形各向异性的两个基本要素：（1）物质成分和物质结构的方向性）物质成分和物质结构的方向性 （2）节理、结构面和层面的方向性）节理、结构面和层面的方向性4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 目的：测定岩体的变形指标目的：测定岩体的变形指标E、，测定，测定关系。关系。岩体现场变岩体现场变形试验方法：静力法、动力法（弹性波测量法）形试验方法：静力法、动力法（弹性波测量法）常用的静力法有：承压板试验（千斤顶荷载试验）、径向常用的静力法有：承压板试验（千斤顶荷载试验）、径向荷载试验、水压法等。荷载试验、水压法等。4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 1、表面承压板试验、表面承压板试验（1）试验装置）试验装置 由四部分组成：垫板（承压板）、加荷装置（千由四部分组成：垫板（承压板）、加荷装置（千斤顶或压力枕）、传力装置（传力支柱、传力柱垫板）、变形斤顶或压力枕）、传力装置（传力支柱、传力柱垫板）、变形测量装置（测微计）测量装置（测微计）4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 1、表面承压板试验、表面承压板试验（2）加荷方式）加荷方式 采用何种加荷方式，可根据岩体结构和工程要求而定。采用何种加荷方式，可根据岩体结构和工程要求而定。完整岩体：完整岩体：可采用大循环加荷可采用大循环加荷 方式，以确定岩体在不同荷载方式，以确定岩体在不同荷载 下的变形特性；下的变形特性；多裂隙岩体：多裂隙岩体：可采用多循环或可采用多循环或 单循环加荷方式，以了解各种单循环加荷方式，以了解各种 结构面对岩体变形的影响。结构面对岩体变形的影响。4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 1、表面承压板试验、表面承压板试验（2）加荷方式）加荷方式 设岩体为弹性半无限空间，则岩体表面垂直位移可根据弹设岩体为弹性半无限空间，则岩体表面垂直位移可根据弹性理论的布西涅斯克解答求得。性理论的布西涅斯克解答求得。A、圆形柔性垫板、圆形柔性垫板：垫板中心点处的垂直位移为：垫板中心点处的垂直位移为：式中：式中：P中心荷载；中心荷载；r圆垫板半径圆垫板半径4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 1、表面承压板试验、表面承压板试验（2）加荷方式）加荷方式 垫板的平均位移为：垫板的平均位移为：式中：式中：A受荷表面的面积；受荷表面的面积；m与垫板形状、刚度及荷载分布与垫板形状、刚度及荷载分布情况有关的系数情况有关的系数,一般地方形板为一般地方形板为0.88，圆形板为，圆形板为0.79。如果测得垫板的垂直位移如果测得垫板的垂直位移WO，则可由上式求得变形模量。，则可由上式求得变形模量。4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 1、表面承压板试验、表面承压板试验（2）加荷方式）加荷方式 B、矩形刚性垫板、矩形刚性垫板：垫板下岩面的垂直位移为：垫板下岩面的垂直位移为：式中：式中：P中心荷载；中心荷载；a，b矩形垫板的边长。矩形垫板的边长。4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 1、表面承压板试验、表面承压板试验（2）加荷方式）加荷方式 C、中心带孔的圆形柔性垫板、中心带孔的圆形柔性垫板（中心带孔的压力枕）：中心点处（中心带孔的压力枕）：中心点处的垂直位移为的垂直位移为 式中：式中：P中心荷载；中心荷载；b圆垫板半径；圆垫板半径；a中心孔半径中心孔半径4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 1、表面承压板试验、表面承压板试验（2）加荷方式）加荷方式 设垫板总变形（位移）量为设垫板总变形（位移）量为W0,其中弹性变形量为其中弹性变形量为We,塑性塑性变形量为变形量为Wp,则岩体的变形指标：则岩体的变形指标：岩体变形模量：岩体变形模量：岩体弹性模量：岩体弹性模量：式中：式中：p受荷面单位面积上的压力；受荷面单位面积上的压力；b承压板直径或边长；承压板直径或边长；与与承压板形状和刚度有关的系数，方形板为承压板形状和刚度有关的系数，方形板为0.88，圆形板为，圆形板为0.79；岩体泊松比。岩体泊松比。4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 1、表面承压板试验、表面承压板试验（2）加荷方式）加荷方式 弹性模量弹性模量Ee和变形模量和变形模量E0 4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性四、原位岩体变形参数测定四、原位岩体变形参数测定 2、钻孔承压板法、钻孔承压板法表面承压板法测得的岩体变形表面承压板法测得的岩体变形模量偏低，这是由于工程岩体模量偏低，这是由于工程岩体表面附近岩体大多发生了不同表面附近岩体大多发生了不同程度的松动。为了排除松动的程度的松动。为了排除松动的影响，开始采用影响，开始采用孔底承压板法孔底承压板法测定岩体变形模量测定岩体变形模量。测定结果。测定结果表明：孔底承压板法测得的原表明：孔底承压板法测得的原位岩体变形参数比表面承压板位岩体变形参数比表面承压板试验测定值高很多，甚至高达试验测定值高很多，甚至高达10余倍。余倍。4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性 四、四、原原位岩体变形参数测定位岩体变形参数测定-动力法动力法(弹性波测量法弹性波测量法)3、岩体、岩体动弹性模量动弹性模量Ed的测定：的测定：采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设置检波器，采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设置检波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹性模量检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹性模量Ed和动泊松比和动泊松比d。式中：式中：vp,vs纵波波速和横波波速，纵波波速和横波波速，为岩体密度。为岩体密度。一般而言：一般而言：Ed Ee ,d 。4-4 岩体的变形特性岩体的变形特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 1、波的概念、波的概念 所谓波所谓波，是指某种扰动或某种运动参数或运动状态参数，是指某种扰动或某种运动参数或运动状态参数（如应力、应变、振动、温度、电磁场强度等）的变化在介质（如应力、应变、振动、温度、电磁场强度等）的变化在介质中的传播。中的传播。应力波就是应力在介质中的传播应力波就是应力在介质中的传播。岩体对动荷载（爆破等）产生的振动所反映出的力学特性岩体对动荷载（爆破等）产生的振动所反映出的力学特性称为岩体的动力学特性；弹性波（应力波、地震波、声波等）称为岩体的动力学特性；弹性波（应力波、地震波、声波等）在岩体中传播特性都属于岩体动力学特性。在岩体中传播特性都属于岩体动力学特性。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 1、波的概念、波的概念 固体介质变形性质不同，在固体介质变形性质不同，在固体中传播的应力波固体中传播的应力波有以下几类：有以下几类：（1）弹性波。在弹性介质中传播的波。）弹性波。在弹性介质中传播的波。（2）粘弹性波。在非线性弹性介质中传播的波。）粘弹性波。在非线性弹性介质中传播的波。（3）塑性波。应力超过弹性极限的波。其传播速度比弹性波传播）塑性波。应力超过弹性极限的波。其传播速度比弹性波传播速度小得多，传播距离也近得多，一般只在震源附近才观测得速度小得多，传播距离也近得多，一般只在震源附近才观测得到。到。（4）冲击波。如果固体介质的变形性质能使大扰动的传播速度远）冲击波。如果固体介质的变形性质能使大扰动的传播速度远比小扰动的传播速度为大，在介质中就会形成比小扰动的传播速度为大，在介质中就会形成波头陡峭的以超波头陡峭的以超声波传播的冲击波声波传播的冲击波。在岩体中传播的主要是弹性波。在岩体中传播的主要是弹性波。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 2、弹性波的类型、弹性波的类型4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性弹性波弹性波体波体波 表面波表面波 勒夫波：在表面水平方向作横向剪切振动勒夫波：在表面水平方向作横向剪切振动 瑞利波：沿传播方向的垂直面内作椭圆形逆进运动。瑞利波：沿传播方向的垂直面内作椭圆形逆进运动。纵波（纵波（P P波、压缩波）：波动传播方向与质点振动方向波、压缩波）：波动传播方向与质点振动方向一致。一致。横波（横波（S S波、剪切波）：波动传播方向与质点振动方向波、剪切波）：波动传播方向与质点振动方向垂直。垂直。纵 波横 波表面波地表震动纵波是推进波，在地壳中传播速度5.57km/s，最先到达震中，地面发生上下振动，破坏性较弱；横波传播速度为3.24.0km/s，第二个到达震中，地面发生前后、左右抖动，破坏性较强；面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 2、弹性波的类型、弹性波的类型 按弹性波的频率分类：按弹性波的频率分类：超声波超声波：频率：频率20kHz.声波声波：频率为几千赫兹：频率为几千赫兹20kHz,人耳可听到。人耳可听到。次声波次声波：频率：频率声波频率。声波频率。地震波地震波：频率为几十几百赫兹的弹性波。：频率为几十几百赫兹的弹性波。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 3、弹性波的反射与折射、绕射和散射、弹性波的反射与折射、绕射和散射（1）弹性波在两种介质交界面上的反射和折射）弹性波在两种介质交界面上的反射和折射4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 3、弹性波的反射与折射、绕射和散射、弹性波的反射与折射、绕射和散射（2）弹性波的绕射）弹性波的绕射 当弹性波碰到障碍物（如裂隙）不能通过而发生边缘绕射。当弹性波碰到障碍物（如裂隙）不能通过而发生边缘绕射。绕射是入射波在障碍物边缘形成的新的波源进一步在岩体中传绕射是入射波在障碍物边缘形成的新的波源进一步在岩体中传播。利用绕射原理可测定裂隙深度。播。利用绕射原理可测定裂隙深度。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 3、弹性波的反射与折射、绕射和散射、弹性波的反射与折射、绕射和散射（3）弹性波的散射）弹性波的散射 弹性波在传播过程中遇到不光滑的界面时，而发生散射。弹性波在传播过程中遇到不光滑的界面时，而发生散射。可利用散射现象来观测岩体内部的破碎程度。可利用散射现象来观测岩体内部的破碎程度。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 3、弹性波的反射与折射、绕射和散射、弹性波的反射与折射、绕射和散射（4）弹性波的叠加）弹性波的叠加 由于弹性波在界面处发由于弹性波在界面处发 生反射、折射、绕射和生反射、折射、绕射和 散射。对于具有裂隙的散射。对于具有裂隙的 岩体来说，弹性波经过一岩体来说，弹性波经过一 定距离后，变成一种复定距离后，变成一种复 杂的合成波。杂的合成波。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 4、弹性波的传播速度及岩体的动弹性参数、弹性波的传播速度及岩体的动弹性参数（1）纵波和横波速度）纵波和横波速度 4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性（a a）式中，式中，一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 4、弹性波的传播速度及岩体的动弹性参数、弹性波的传播速度及岩体的动弹性参数（1）纵波和横波速度）纵波和横波速度 根据测定的弹性波速度，可计算动弹性参数：根据测定的弹性波速度，可计算动弹性参数：由由(a)式可知，纵波速度大于横波速度，且有：式可知，纵波速度大于横波速度，且有：4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性（b）一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 4、弹性波的传播速度及岩体的动弹性参数、弹性波的传播速度及岩体的动弹性参数（2）表面波速度（瑞利波波速）表面波速度（瑞利波波速vR)瑞利波波速瑞利波波速vR是横波速度的是横波速度的m倍，倍，m值可按下式确定：值可按下式确定：式中式中为横波速度与纵波速度之比，即：为横波速度与纵波速度之比，即：若岩体的泊松比为若岩体的泊松比为0.25，则，则 m=0.9194 4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 5、岩体中弹性波的频谱特性、岩体中弹性波的频谱特性（1）频谱的概念）频谱的概念 任何复杂的周期波形都可视为由许多不同频率、振幅和相任何复杂的周期波形都可视为由许多不同频率、振幅和相位的简谐波（正弦波）所组成。不同频率的谐波具有不同的振位的简谐波（正弦波）所组成。不同频率的谐波具有不同的振幅谱和相位谱。幅谱和相位谱。振幅谱振幅谱：将各正弦波的振幅按频率高低排列，即为振幅谱。：将各正弦波的振幅按频率高低排列，即为振幅谱。相位谱相位谱：将各正弦波的初相角和频率之间的关系绘成图，即为：将各正弦波的初相角和频率之间的关系绘成图，即为相位谱。相位谱。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 5、岩体中弹性波的频谱特性、岩体中弹性波的频谱特性（2）弹性波频谱分析）弹性波频谱分析 弹性波的主要参数有：弹性波的主要参数有：最大振幅；持续时间；振动周期；最大振幅；持续时间；振动周期；能量。能量。频谱分析频谱分析就是就是把组成波的各谐波进行分解，以了解弹性波把组成波的各谐波进行分解，以了解弹性波的组成成分，对动态测量资料进行误差和干扰信号的分析和修的组成成分，对动态测量资料进行误差和干扰信号的分析和修正，能对动态过程的物理量的传递、衰减和相关性进行分析。正，能对动态过程的物理量的传递、衰减和相关性进行分析。弹性波在岩体中传播，高频波衰减快，传播距离短，低频弹性波在岩体中传播，高频波衰减快，传播距离短，低频波衰减慢，传播距离长。波衰减慢，传播距离长。自然滤波。自然滤波。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性一、弹性波在岩体中的传播特性一、弹性波在岩体中的传播特性 5、岩体中弹性波的衰减特性、岩体中弹性波的衰减特性 弹性波在岩体中传播时，由于裂隙的影响和岩性的变化，弹性波在岩体中传播时，由于裂隙的影响和岩性的变化，在传播时会出现内损耗，使波动具有的机械能逐渐转化为热能在传播时会出现内损耗，使波动具有的机械能逐渐转化为热能（弹性波的吸收），使弹性波原有的机械能发生衰减。（弹性波的吸收），使弹性波原有的机械能发生衰减。品质因素品质因素Q：在一周期内的总能量与振动消耗的能量之比（相对：在一周期内的总能量与振动消耗的能量之比（相对消耗量）。岩体的品质因素越大，所消耗的能量越少，越接近消耗量）。岩体的品质因素越大，所消耗的能量越少，越接近完全弹性。完全弹性。品质因素品质因素Q与衰减系数与衰减系数的关系：的关系：式中：式中：=v/f；v波速；波速；f频率；频率；波长。波长。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 1、弹性波测试的物理基础、弹性波测试的物理基础 岩体虽然不是理想的弹性体，但是，如果作用力小且持续岩体虽然不是理想的弹性体，但是，如果作用力小且持续时间短，相应产生的质点位移量也非常微小，一般不超过其弹时间短，相应产生的质点位移量也非常微小，一般不超过其弹性变形范围。因此可将性变形范围。因此可将岩体作为弹性介质岩体作为弹性介质来研究。不同性质的来研究。不同性质的弹性体，由于其物理力学性质不同而弹性波的传播特性也不同。弹性体，由于其物理力学性质不同而弹性波的传播特性也不同。用人工的方法对岩体激发弹性波，研究它在岩体中的传播特性，用人工的方法对岩体激发弹性波，研究它在岩体中的传播特性，并根据其结果判断岩体的特性及状态。并根据其结果判断岩体的特性及状态。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 2、影响弹性波传播的因素、影响弹性波传播的因素（1）结构面的影响）结构面的影响 A、岩体的完整性越差，弹性波速度越低；、岩体的完整性越差，弹性波速度越低；B、张性结构面使波传播受阻，波速降低；、张性结构面使波传播受阻，波速降低；C、结构面中充填物具有塑性变形特征，使波能吸收衰减；、结构面中充填物具有塑性变形特征，使波能吸收衰减；D、结构面使波反射、折射、绕射、散射，导致合成波复杂化、结构面使波反射、折射、绕射、散射，导致合成波复杂化 E、结构面分布不均匀性或方向性，使各方向的弹性波传播速度、结构面分布不均匀性或方向性，使各方向的弹性波传播速度不等。不等。结构面对弹性波的传播起着隔波和导波作用，结构面对弹性波的传播起着隔波和导波作用，弹性波沿结弹性波沿结构面传播速度大于垂直结构面传播速度构面传播速度大于垂直结构面传播速度。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 2、影响弹性波传播的因素、影响弹性波传播的因素（2）岩性、地质年代、风化程度的影响）岩性、地质年代、风化程度的影响 A、坚硬岩石中弹性波速度高，软弱岩体中弹性波速度低；、坚硬岩石中弹性波速度高，软弱岩体中弹性波速度低；B、地质年代不同，弹性波传播的速度不同；、地质年代不同，弹性波传播的速度不同；C、风化程度不同，弹性波传播的速度也不同。新鲜、坚硬无裂、风化程度不同，弹性波传播的速度也不同。新鲜、坚硬无裂隙岩体，弹性波速度大（隙岩体，弹性波速度大（vp=40006000m/s)，显著风化，粘土，显著风化，粘土化岩体化岩体vp=1000m/s 左右；左右；4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 2、影响弹性波传播的因素、影响弹性波传播的因素（3）岩体应力状态的影响）岩体应力状态的影响 A、压应力状态，弹性波速高，拉应力状态弹性波速低；压应力状态，弹性波速高，拉应力状态弹性波速低；B、在一定应力范围内，波速随压应力增大而增加在一定应力范围内，波速随压应力增大而增加。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 2、影响弹性波传播的因素、影响弹性波传播的因素（4）温度的影响）温度的影响 在低温或常温下，以压力的影响为主；在高温下，温度与在低温或常温下，以压力的影响为主；在高温下，温度与压力对波速起联合控制作用，压力对波速起联合控制作用，一般随温度、压力升高，波速增一般随温度、压力升高，波速增大。大。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 3、弹性波测试的工作方式、弹性波测试的工作方式（1）主要仪器：弹性波探测仪（声波仪）主要仪器：弹性波探测仪（声波仪）包括发射系统（发射机、发射换能器）和接收系统（接收机和包括发射系统（发射机、发射换能器）和接收系统（接收机和接收换能器）两大部分。接收换能器）两大部分。发射机发射机：发射一定频率的电脉冲。：发射一定频率的电脉冲。发射换能器发射换能器：将电脉冲转换为弹性波（声波），对岩体激发振动。：将电脉冲转换为弹性波（声波），对岩体激发振动。接收换能器接收换能器：将接收到的弹性波转换为电磁振荡，送往接收机。：将接收到的弹性波转换为电磁振荡，送往接收机。接收机接收机：将接收到的信号放大，然后送到示波器或数字显示器。：将接收到的信号放大，然后送到示波器或数字显示器。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 3、弹性波测试的工作方式、弹性波测试的工作方式（2）四种触发方式）四种触发方式 A、平面内触发方式、平面内触发方式 发射机发射出一个电磁振荡，由发射换能器将电磁振荡转换为发射机发射出一个电磁振荡，由发射换能器将电磁振荡转换为弹性波，向岩体发射，由接收换能器接收弹性波，并经接收机转换弹性波，向岩体发射，由接收换能器接收弹性波，并经接收机转换为电磁振荡。为电磁振荡。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 3、弹性波测试的工作方式、弹性波测试的工作方式（2）四种触发方式）四种触发方式 B、平面锤击外触发方式、平面锤击外触发方式 由铁锤锤击岩体表面直接产生弹性波，并由发射换能器向由铁锤锤击岩体表面直接产生弹性波，并由发射换能器向岩体发射，由接收换能器接收弹性波，并经接收机转换为电磁岩体发射，由接收换能器接收弹性波，并经接收机转换为电磁振荡振荡4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 3、弹性波测试的工作方式、弹性波测试的工作方式（2）四种触发方式）四种触发方式 C、钻孔内触发方式、钻孔内触发方式 发射换能器和接收换能器设置在钻孔内。借助于耦合剂发射换能器和接收换能器设置在钻孔内。借助于耦合剂（一般为水）向孔壁岩体传递弹性波，由接收换能器接收弹性（一般为水）向孔壁岩体传递弹性波，由接收换能器接收弹性波，并经接收机转换为电磁振荡。波，并经接收机转换为电磁振荡。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 3、弹性波测试的工作方式、弹性波测试的工作方式（2）四种触发方式）四种触发方式 D、电火花外触发方式、电火花外触发方式 这种触发方式与钻孔内触发方式相同。这种触发方式与钻孔内触发方式相同。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 4、岩体弹性波波速的测定、岩体弹性波波速的测定（1）岩块弹性波速度室内测定）岩块弹性波速度室内测定 D、电火花外触发方式、电火花外触发方式 纵波速度：纵波速度：横波速度：横波速度：式中：式中：D岩石试件两端面的间距；岩石试件两端面的间距；tp、ts纵波和横波在两端面间传播的时间。纵波和横波在两端面间传播的时间。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 4、岩体弹性波波速的测定、岩体弹性波波速的测定（2）岩体弹性波速度的现场测定）岩体弹性波速度的现场测定 D、电火花外触发方式、电火花外触发方式 纵波速度：纵波速度：横波速度：横波速度：式中：式中：D声源和测点间的距离声源和测点间的距离；tp、ts纵波和横波传播的时间。纵波和横波传播的时间。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性二、弹性波探测技术二、弹性波探测技术 5、岩体弹性波速度测定的应用、岩体弹性波速度测定的应用（1）测定岩体动弹性参数、岩体的完整性和各向异性）测定岩体动弹性参数、岩体的完整性和各向异性 （2）测定坑洞围岩松动圈厚度）测定坑洞围岩松动圈厚度 （3）测定岩柱的稳定性）测定岩柱的稳定性 （4）测定岩层分布和风化破碎情况）测定岩层分布和风化破碎情况 （5）测定地层层位）测定地层层位 （6）检测岩体加固质量）检测岩体加固质量4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性三、三、声发射（声发射（AE）技术）技术 声发射（声发射（Acoustic Emission）是材料破坏时发出声波的现象。利是材料破坏时发出声波的现象。利用这种现象研究岩体的破坏过程和预报岩体破坏。用这种现象研究岩体的破坏过程和预报岩体破坏。凯塞效应（凯塞效应（Kaiser)：当岩体受外力作用所产生的应力未超过该当岩体受外力作用所产生的应力未超过该岩体历史上曾经受过的最大应力时，声发射活动不明显，而当岩体历史上曾经受过的最大应力时，声发射活动不明显，而当岩体受外力作用所产生的应力超过该岩体历史上曾经受过的最岩体受外力作用所产生的应力超过该岩体历史上曾经受过的最大应力时，声发射活动突然加剧，而且各个方向受力都如此。大应力时，声发射活动突然加剧，而且各个方向受力都如此。这种现象称为凯塞效应。这种现象称为凯塞效应。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性三、三、声发射（声发射（AE）技术）技术 （一）、岩石声发射特征（一）、岩石声发射特征 1、声发射信号特征、声发射信号特征 （1）岩石声发射是时间的非周期函数，即每相邻两次声发射之间）岩石声发射是时间的非周期函数，即每相邻两次声发射之间的时间间隔有很大的随机性。的时间间隔有很大的随机性。（2）每次声发射信号的波形都不完全相同。）每次声发射信号的波形都不完全相同。（3）岩石声发射信号有很宽的频带，从零点几上兆）岩石声发射信号有很宽的频带，从零点几上兆Hz。（4）岩石声发射的频谱为分离的尖峰，尖峰出现在某些频率附近，）岩石声发射的频谱为分离的尖峰，尖峰出现在某些频率附近，而其他频率分量为而其他频率分量为0，其振幅也是离散的。，其振幅也是离散的。4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性三、三、声发射（声发射（AE）技术）技术 （一）、岩石声发射特征（一）、岩石声发射特征 2、岩石破坏声发射全过程特征岩石破坏声发射全过程特征 4-5 岩体的动力学特性岩体的动力学特性三、三、声发射（声发射（AE）技术）技术 （一）、岩石声发射特征（一）、岩石声发射特征 2、岩石破坏声发射全过程特征、岩石破坏声发射全过程特征 岩石破坏声发射全过程的岩石破坏声发射全过程的4个阶段个阶段：（1）开始加载阶段（）开始加载阶段（AB），原始裂纹闭合，有声发射信号出现。），原始裂纹闭合，有声发射信号出现。（2）继续加载）继续加载(BC），试件产