岩石动力学讲稿--岩石的动力特性
《岩体力学》第六章岩体的力学性质
图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
第三章 岩体的动力学性质
3.当岩石种类 不同，纵波波 速不同。但基 本规律相同， 即在低应力区 纵波波速增长 很快，随着应 力的增大，增 长减慢，趋于 常值。如图3 －18所示
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第三节 岩体的其它动力学特性
一、用弹性波速度求岩体的泊松比
岩石的泊松比可以通过在加压过程中，量 测纵向应变 1 和横向应变 2 而获得。
图3－10表示了纵波波 速与吸水率之间的关 系。
从图中可以看出：
2.随着吸水率的 增加，纵波波速 急剧的下降
四、岩体波速与各向异性性质有关
岩体因成岩条件、结构面和地应力等 原因而具有各向异性，因而弹性波在岩体 中的传播、岩体动弹性模量等也具有各向 异性。表3－6看出：
1.平行层面纵波波速大于垂直层面波速
第二节
影响岩体波速的因素 （5方面因素）
一、岩体弹性波速与岩体种类、岩石密度和 生成年代有关 1.岩石的密度和完整性越高，波速越大 2.岩石密度越大，弹性波的速度也相应增加 表3－1表示了各类岩石的弹性波速与岩石种 类之间的关系。 图3－5从实例统计的角度，表示了各类岩 石的弹性波速及密度之间的关系。
图3-7
2. 裂隙数目越多，则纵波速度愈小
3.岩体的风化程度愈高弹性波的速度亦小
4.夹层厚度愈大弹性波纵波速度愈
三、岩体波速与岩体的有效孔隙率n及吸水 率 W 有关
f
一些岩浆岩，沉积 岩和变质岩的纵 波速度与有效孔 隙率n之间的关系 见图3－9所示。 从图中可以看出：
1.随着有效孔隙率的增 加，纵波波速则急剧下 降
1.在巷道壁钻孔 测试声波速度
在松动区内，由 于岩体破碎且是 低应力区，因而 波速较小；高应 力区，岩体完整， 波速达到最大； 原岩应力区，波 速正常。根据波 速沿测孔深度的 变化曲线，确定 这三个区的范围。
岩体力学-第一章 岩石的力学特性.PPT
本章内容：
岩石的应力－应变关系(静力学瞬时和长期荷载荷载作用下); 岩石弹性参数确定;岩石的本构关系;岩石的破坏准则; 以及介绍影响岩石力学性质因素，常见岩石试验方法。
本章重点与难点：强度与变形特征 １.１ 静力学特性 １.２ 流变特性 １.３ 影响岩石力学性质的因素 １.４ 破坏判据
c c1 0.778 0.222 h
d
1
2
2.5
3
h/d
13
点荷载强度指标(point load strength index)：
P D2 c ——为h/d为2的试件单轴抗压强度
c 24 I s I s
I s ——点荷载强度指标，
普通材料试验机： 柔性试验机； 刚度较小； 不能控制荷载和变形； 只能做出岩石受力在达 到极限强度以前的变形 特征。
类型Ⅰ弹性的
类型Ⅱ 弹塑性的
类型Ⅲ 塑弹性的
类型Ⅳ 塑－弹－塑性的
类型Ⅴ 塑－弹－塑的
类型Ⅵ 弹－塑－蠕变的
4
类型Ⅰ：直线型； 包括玄武岩，石英岩，辉绿岩，白云岩和非常坚硬的石灰岩 类型Ⅱ：直线＋弯曲下降； 石灰岩，粉砂岩，凝灰岩等致密但岩性较软的岩石 类型Ⅲ：下凹＋直线 ； 花岗岩和砂岩等具有孔隙和微裂隙坚硬岩石 类型Ⅳ：Ｓ型直线陡且长，曲线较短 坚硬致密的变质岩，如大理岩，片麻岩等 类型Ⅴ：Ｓ型直线平且短，曲线长； 压缩性较高的岩石，片岩在垂直片理方向受压 类型Ⅵ：直线＋弯曲； 盐岩
2P d2 d 2a
0.8 0.7 0.6 0.5
抛物线型压力分布 均匀压力分布 常位移条件压力分布 光弹试验
t
2P dh
P t 0.3 0.2 A
《岩石动力学基础》课件
岩石的破裂机制
总结词
解释岩石破裂的机理和过程。
详细描述
岩石的破裂机制包括脆性断裂和韧性断裂两种类型，其破裂过程与岩石内部的微裂纹扩展、应力集中和能量释放 等密切相关。
岩石的动态特性
总结词
描述岩石在动态载荷下的力学行为。
2023
REPORTING
《岩石动力学基础》 ppt课件
2023
目录
• 岩石动力学概述 • 岩石的力学性质 • 岩石动力学的基本理论 • 岩石动力学的应用 • 岩石动力学的研究方法与技术 • 未来岩石动力学的研究方向与挑战
2023
PART 01
岩石动力学概述
REPORTING
定义与特点
定义
岩石动力学是一门研究岩石在应力作用下的变形、破裂和流动行为的科学。
总结词
深入研究岩石动力学的基本原理、本构关系、破坏准则等基础理论，为解决复杂岩石工程问题提供理 论支持。
详细描述
岩石动力学是一门研究岩石在应力、应变、温度等作用下的动态行为的学科。未来，需要进一步深化 对岩石动力学基本理论的研究，包括岩石的本构关系、破坏准则、能量耗散机制等方面的研究，以揭 示岩石动态行为的内在规律。
力学行为。
边界元法
利用边界元分析方法，对岩石结 构进行边界离散化，通过建立数 学模型和求解方程组，模拟岩石
的动力学行为。
离散元法
利用离散元分析方法，将岩石视 为离散颗粒的集合体，通过建立 颗粒间的相互作用模型和求解运 动方程，模拟岩石的动力学行为
。
理论分析方法
弹性力学理论
基于弹性力学的基本原理，建立岩石的应力-应变关系、弹性常 数等动力学参数，研究岩石的动态响应。
《岩石力学》课件(完整版)-第三章岩石动力学基础
能量吸收是指岩石在冲 击或振动载荷作用下吸 收能量的能力，与岩石 的破碎和变形有关。
疲劳是指岩石在循环载 荷作用下发生损伤和破 坏的现象，对地下工程 和边坡工程的稳定性有 重要影响。
03
岩石动力学的基本理论
弹性力学基础
01
弹性力学基本概念
弹性力学是研究弹性物体在外力作用下的应力、应变和位移的学科。它
理论分析方法。这些方法可用于求解各种复杂弹性力学问题。
塑性力学基础
塑性力学基本概念
塑性力学是研究塑性物体在外力作用下的应力、应变和位移的学科。塑性物体在达到屈服 点后会发生不可逆的变形，其应力-应变关系不再满足胡克定律。
塑性力学的基本方程
包括屈服准则、流动法则、增量理论和边界条件等。这些方程描述了塑性物体内部的应力 、应变和位移之间的关系，以及物体与周围介质之间的相互作用。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
离散元法
离散元法是一种将连续介质离散化为一系列刚性或弹性 单元体的方法。
数据分析
对实验获取的大量数据进行处理和分 析，提取岩石的动力学特性，如阻尼 比、质量放大系数等。
结果解释
根据实验结果，解释岩石在动态载荷 作用下的破坏机制和演化过程，为工 程设计和安全评估提供依据。
实验研究的挑战与展望
挑战
岩石动力学实验技术难度大，需要克服实验条件苛刻、测量精度要求高等问题。 同时，岩石材料的非线性、各向异性等特性也给实验结果分析带来困难。
岩体的动力学性质.
岩体的动力学性质岩体的动力学性质是岩体在动荷载作用下所表现出来的性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形与强度性质。
一、岩体中弹性波的传播规律1、弹性波在介质中的传播速度仅与介质密度ρ及其动力变形参数Ed ，μd有关。
因此可以通过测定岩体中的弹性波速来确定岩体的动力变形参数。
2、影响弹性波在岩体中的传播速度的因素:（1）岩性：不同岩性岩体中弹性波速度不同，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，则愈小。
（2）结构面：沿结构面传播的速度大于垂直结构面传播的速度。
（3）应力：在压应力作用下，波速随应力增加而增加，波幅衰减少；反之，在拉应力作用下，则波速降低，衰减增大。
（4）含水量：随岩体中含水量的增加导致弹性波速增加。
（5）温度：岩体处于正温时，波速随温度增高而降低，处于负温时则相反。
二、岩体中弹性波速度的测定可以采用地震法、声波法来测试弹性波速，下面就介绍常用的声波法。
声波法测试步骤：（1）选择代表性测线，布置测点和安装声波仪，见下图。
（2）发生正弦脉冲，向岩体内发射声波。
声波法测弹性波原理图1.发射换能器；2.接收换能器；3.放大器；4.声波发射仪；5.计时装置（3）记录纵、横波在岩体中传播的时间。
（4）根据下面的公式计算波速。
三、岩体的动力变形与强度参数1、动力变形参数动力变形参数有：动弹性模量和动泊松比及动剪切模量。
可通过声波测试确定。
优点：不扰动被测岩体的天然结构和应力状态；测定方法简便，省时省力；能在岩体中各个部位广泛进行。
计算公式：岩体与岩块的动弹性模量都普遍大于静弹性模量。
坚硬完整岩体E d/E me约为1.2～2.0 ，风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体E d/E me约为1.5～10.0左右，大者可超过20.0。
原因如下：①静力法采用的最大应力大部分在1.0～10.0MPa，少数则更大，变形量常以mm计，而动力法的作用应力约为10-4MPa量级，引起的变形量很微小。
因此静力法会测得较大的不可逆变形，而动力法则测不到这种变形。
高等岩石力学--岩石动力学及流变特性 ppt课件
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流变模型（rheological models）
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西原模型
最能全面反映岩石的弹-粘弹-粘塑性特性
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目前岩石流变研究方向和内容
软岩和节理发育岩体的流变试验研究 流变模型辨识及其参数确定
流变力学手段在收敛约束方法及隧道结构设 计优化中的应用
高地应力隧道围岩非线性流变及其对硐室衬 砌支护的力学效应 岩石流变损伤与断裂研究
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相关定义
Elastic Plastic Viscous Elastoplasticity Viscoelasticity Viscoplasticity Elastoviscoplasticity Creep Relaxation Fatigue Rheology Rheological models
第11章 岩石动力学及流变特性
Rock dynamics and Rheology
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10.1 引言
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10.2 应力波(stress wave)
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)
,
E
2(1
)
CP2
2
, CS2
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vS 1 2 vP 2(1 )
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岩石和岩体中纵、横波的波速的意义 波速的测定 波传播反映的信息(多波多分量勘探) 波在界面反射
岩石动力学特征、含损伤本构模型及破坏机理研究
岩石动力学特征、含损伤本构模型及破坏机理研究1. 引言1.1 概述岩石是地壳中最基本的构成要素之一，其在地质工程、矿山开采和岩土工程等领域中具有重要的应用价值。
由于受到多种外界力学和环境条件的作用，岩石在长期的负荷下会发生变形、损伤甚至破坏。
因此，了解岩石的动力学特征以及其本构行为对于推进相关领域的科学研究和工程实践具有重要意义。
1.2 文章结构本文主要围绕岩石动力学特征、含损伤本构模型以及破坏机理展开，结构包括五个主要部分。
引言部分旨在介绍文章的背景和目标，并概括性地提及每个章节的内容。
第二部分将重点讨论岩石的力学特性、动态响应以及常用的实验与模拟方法。
第三部分将探讨含损伤本构模型，并介绍不同理论基础下引入损伤概念建立的本构模型，并对参考文献及其应用情况进行综合分析。
第四部分将深入研究岩石的破坏机理，包括对岩石破坏过程的分析、破坏预测与评估方法的探讨，并通过相关案例进行实例展示。
最后，第五部分将总结全文，并对该领域的进展和局限性进行评价，同时展望未来发展方向和可能遇到的挑战。
1.3 目的本文旨在系统地探讨岩石动力学特征、含损伤本构模型以及破坏机理的研究进展。
通过对国内外相关文献进行综合分析和总结，明确目前岩石动力学及其相关领域存在的问题和挑战，并提出未来发展方向。
通过本文的撰写，期望为岩石工程领域的科学研究和工程实践提供参考依据，促进该领域的进一步发展。
2. 岩石动力学特征研究：2.1 岩石的力学特性：岩石是一种复杂的多相介质，其力学特性对于岩石工程及地质灾害评估至关重要。
岩石的力学特性包括弹性模量、抗压强度、剪切强度以及岩石的变形行为等。
弹性模量是指岩石在受到外界作用力时产生的应力与应变之间的关系，反映了岩石的刚性；抗压强度则表示了岩石能够承受的最大压缩应力；剪切强度是指在试验条件下，岩石开始发生剪切失稳断裂之前所能承受的最大剪应力。
此外，岩石还具有很强的非线性行为。
当外部载荷增加到一定程度时，即会导致岩石发生塑性变形甚至失稳断裂。
第三章 岩体的动力学性质
可以计算动弹性模量等参数。测试仪器主要是岩块超声 波参数测定仪和纵（横）波换能器。测试时，把纵（横） 波换能器放在岩块试件的两端。测定纵波速度时宜采用 凡士林或黄油作耦合剂。 换能器发射频率满足要求：
f ≥ 2vp D
θ
= θ0
sin ω(t
−
x )
c
（3-4）
式中，c为波动在岩体中的传播速度。
第二节 岩体中应力波类型及传播
上式分别对t和x求二阶偏导，得
∂ 2θ = −ω 2θ ∂t 2
∂ 2θ = − ω 2 θ
∂x 2
c2
代 入
（3-5） （3-6）
∂ 2θ = ∇2θ ∂x 2
ρ
∂ 2θ ∂t 2
= (λ + 2Gd )∇2θ
勒夫波（又称：L波）
质点在水平面内垂直于波前进方向作水 平振动
•按波面形状，应力波又区分为平面波、球面波和和柱面波。
第二节 岩体中应力波类型及传播
第二节 岩体中应力波类型及传播
z 二 岩体中弹性波的传播
运动方程、几何方程和物理方程经过综合后， 可得出拉 梅运动方程，当不计体力时，该方程 可表示为
(λ
vp
=
c
=
λ (
+ 2Gd ρ
1
)2
（3-7）
第二节 岩体中应力波类型及传播
同上述方法，可得到横波在各向同性岩 体中传播的 速度Vs
vS
=
(G
d
1
)2
ρ
（3-8）
将 λ=
μd Ed
(1 + μ d )(1 − 2μ d )
岩石的岩石的力学性质
岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。
岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。
随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。
岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。
-1・5岩石变形性质的几个基本概念・1）弹性（elasticity）：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力（卸载）后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。
・弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：・线弹性体：应力－应变呈直线关系。
・非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。
・2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。
・不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。
・在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。
・理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.・3）黏性（viscosity）:物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。
・应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关・其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），・4）脆性（brittle）:物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。
・5）延性（ductile）:物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。
・1・7岩石变形指标及其确定・岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。
3）全应力－应变曲线的工程意义・①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。
・②预测岩爆。
・若A>B,会产生岩爆・若B>A，不会产生岩爆③预测蠕变破坏。
・当应力水平在H 点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。
第三章岩石动力学基础
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山东科技大学
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➢ 四、各向异性对波速影响
平行于层面的波速 VP
垂直于层面的波速 VP
波速段各向异性系数 VP /VP 1.67
见表3-6 表3-7 表3-8
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岩石
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（3-4）
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➢ 三、岩体弹性波速的测定
（一）室内
图3-2 横波检验方法
图3-3 现场实测
（二）现场 自学
（三）岩体弹性波测定结果
1．声波 见表3－1 见表3－2
1）变化大 1300～7500 m/s（纵波）。
2）数量级 103 m/s。
3）岩块 Vp＞岩体。 4）新鲜岩体Vp大。
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✓ 在动载荷作用下，固体介质中各个微元全处于随时间变化 的动态过程中，载荷可在极短时间间隔（ms、纳秒级）内 达到很高数值（1010、1011、甚至1012秒-1量级），应变量 高达102～107秒-1量级。微元的惯性和载荷同等重要，应力 和应变等扰动以有限速度传播，当应力波到达材料的界面 时发生反射和透射现象。随后在材料中发生入射波和反射 波间复杂的相互作用。介质的运动过程就是应力波传播， 反射和相互作用的过程，这个过程的特点主要取决于材料
纵波速度 （m/s）
6700 6200
5200~6700
范围(一般)
3000~6500 4400~5100
范围(一般)
3000~7500 4500~6000
爆破工程地质
(2)东北大学岩石分级法 我国目前岩石分级状况，在概念上是普氏分级，而普氏分级 系数f值的确定离散值很大，为了适应岩石分级的需要，东北大 学综合考虑了爆破材料、工艺、参数等条件，进行了爆破漏斗实 验和声波测定，根据爆破漏斗的体积、大块率、小块率、平均合 格率和波阻抗等大量实验数据，运用数理统计多元回归分析及电 算处理，得出了岩石可爆性指数f的公式：
45 30~50
密度（g/cm）
2.6~2.7 2.8~3.0 2.85~3.0 2.71~2.85 2.5~2.6 2.58~2.69 2.2~2.4 2.3~2.7 2.9~3.0 2.6~2.7 2.65~2.9 1.6~2.1 1.5~1.7
容重（t/m3）
2.56~2.67 2.75~2.90
一般地说，硬度越大的岩石越难以凿岩和爆破，但值得注意 的是，某些硬度较大的岩石往往比较脆，因而也容易爆破。
4)岩石的碎胀性 岩石破碎成块后，因碎块之间存在空袭而使总体积增加，这 一性质称为岩石的碎胀性，它可用碎胀系数(松散系数)K表示 (其值一般在1.2～1.6之间)。K是指岩石破碎后的总体积V1与破 碎前总体积V之比，即：
表4-4 普氏岩石分级表
等级 坚实程度 Ⅰ 非常坚实
岩石名称
最坚实，致密，强韧的石英岩及 玄武岩，非常坚实的其它岩石
容重（kg/m3） 极限抗压强度（MPa） f值
2800~3000
200
20
Ⅱ
很坚实
很坚实的花岗岩类，石英斑岩，很坚实的花岗岩， 硅质页岩，石英岩，最坚实的砂岩，石灰岩
2600~2700
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爆破工程地质
(2)岩石的力学性质 用炸药爆炸来破碎岩石是爆破工程的主要内容，而炸 药爆炸加载于介质的载荷是冲击载荷，属于动力学范畴， 因此，对岩石的力学性质研究不仅要研究其一般力学性质， 还要对其动力学性质进行研究。 1)岩石的静力学性质 a.岩石的强度 岩石的强度是指岩石抵抗外力破坏的能力。岩石的强 度主要有：抗压、抗拉、抗弯、抗剪。由于在爆破工程中， 岩石承受的是冲击载荷，因而其强度只是用来说明岩石坚 固性的一个方面，岩石的可爆性不能完全根据岩石的强度 指标来确定。
岩石的力学特性
岩石流变包括蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。
① 蠕变: 应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象； ② 松弛: 应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象； ③ 弹性后效: 加(卸)载后，经过一段时间应变才增加(或减少)
27/35
图 3-38 伯格斯体力学模型
蠕变曲线
E1 E2
E1
E1
卸载曲线
1
t1
o
t1
t
图 3-39 伯格斯体蠕变曲线和卸载曲线
6) 宾汉(Bingham)体 图3-40 宾汉体=虎克体+理想粘塑性体串联。 图 3-40 宾汉体力学模型 主要反映岩石的弹性—粘塑性特性，适用于粘土及半坚硬岩石。
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1．流变模型基本元件
弹性元件
（a）力学模型
（b）应力—应变曲线
图 3-28 弹性元件力学模型及其性态
塑性元件
（a）力学模型
（b）应力—应变曲线
图 3-29 塑性元件力学模型粘及其性性元态 件
8/35
1) 弹性元件 虎克体理想弹性体(满足虎克定律)。 其力学模型弹簧元件(图3-28a)。
（a）力学模型
• 主要包括岩石本身性质和试验与环境条件。 • 岩石本身性质：矿物组成、结构构造(颗粒大小、连结及
微结构发育特征等)、密度、风化程度及各向异性等等； • 试验与环境条件：主要有水、温度、加载速率、围压的
大小等。
32/35
1．水对岩石力学性质的影响 ①岩石中的水两种赋存方式：
结合水/束缚水 自由水/重力水
②5个主要方面
连接作用
润滑作用 水楔作用 孔隙压力作用 溶蚀-潜蚀作用
爆破工程地质优质内容
高级培训
6
b.静载变形特性
岩石在外力作用下产生变形，其变形性质可用应力－应变曲
线表示。
非
线
性
弹
线 性 弹
性 变 形
性
变
脆
形比 例 极
性 破 坏
限
塑 性 屈 服 变 形
延 性 破 坏
弹性变形区 塑性变形区
岩石的应力－应变曲线 ①弹性—在弹性变形范围内，当外载去掉后，岩石恢复原形 的性质,遵守虎克定律。
G V
岩石的密度、容重主要影响岩石的抛掷、堆积和装运。 一般地说，岩石的密度和容重越大，就越难以破碎，在抛掷 爆破时需消耗较多的能量去克服重力的影响。
几种岩石孔隙度、密度、容重见表4-1。
高级培训
2
表4-1 几种岩石的孔隙度、密度、容重
岩石名称
花岗岩 玄武岩 辉绿岩 石灰岩 白云岩 砂岩 页岩 板岩 片麻岩 大理岩 石英岩 粘土 砂子
高级培训
7
②脆性—岩石没有产生显著的永久变形就开始破坏的性
质，一般岩石呈脆性破坏。
③塑性—与脆性相反，在破坏前有较明显的永久变形，
如泥页岩，高岭土矿，巷道底鼓。
④弹性模量：E=σ/ε。
⑤剪切模量：G=τ/γ
⑥泊松比：μ=ε2/ε1 ⑦G，E，μ的关系，根据材料力学的理论有：
G=E/2（1+μ）
⑧弹性后效：在弹性区内，应力消除后，应变并不能立
4.1岩石的物理力学性质
(1)岩石的物理性质 与爆破有关的岩石的物理性质主要包括孔隙率、容重、
密度、硬度、碎胀性、裂隙性等。
1)孔隙率
孔隙率η，是指岩石中孔隙的总体积V0与岩石的总体积V 之比，用百分率表示。
V V 100% 0
岩石动力学讲稿--岩石的动力特性
岩石声波速度的影响因素
含水量、的声速 Vf是岩石中的孔隙被水饱和时的声速 v r是岩石无孔隙时的声速 r是岩石无孔隙时的声速 Ф是孔隙率 v是孔晾率为0时岩石的声速 是孔晾率为0
岩石受到轴向压力时，在与压力方向正交方向，声速随压 岩石受到轴向压力时，在与压力方向正交方向， 应力增加而减少；在与加压方向一致方向， 应力增加而减少；在与加压方向一致方向，声速随着压应 力的增加而增大； 力的增加而增大； 在破坏之前应变急剧增大的点上其声速显著地变小，因此 在破坏之前应变急剧增大的点上其声速显著地变小， 通过声速测试可监测岩石破坏的状态
应力波在岩石介质中的传播是岩石动力学的重要课题 应力被在岩石介质中传播的性质， 应力被在岩石介质中传播的性质，应力波峰值与岩石强度 的关系 在强爆炸应力区，岩石本构模型视为流体动力学模型，关 在强爆炸应力区，岩石本构模型视为流体动力学模型， 键是给出状态方程； 键是给出状态方程； 在中等应力区，本构模型采用弹塑性本构模型； 在中等应力区，本构模型采用弹塑性本构模型； 在低压应力区，采用本构模型 在低压应力区，
ΔW 为当一正弦波通过粘弹性体时一个周期内的能量损 耗;W 为该周期内贮存的最大弹性势能
应力波波在岩土体中传播时的衰减可用幅值谱函数表示
n = 0 、0.5 和1 分别代表平面波、柱面波和球面波; 分别代表平面波、柱面波和球面波; A 0 和A 分别代表爆心距为R0 和R处的频率为ω的地震波
的幅值;
6.3 岩石的动力特性
6.3.1岩石的声波特性 6.3.1岩石的声波特性
当岩石受到地振动、冲击或爆破作用时，各种不同动力特性 当岩石受到地振动、冲击或爆破作用时， 的应力波在岩石(岩体) 的应力波在岩石(岩体)中传播 当应力值(相对岩石强度言) 当应力值(相对岩石强度言)较高时岩石中可能出现塑性波和 冲击波 当应力值较低时则只产生弹性被 弹性波总是以更快的速度传播，成为先驱波； 弹性波总是以更快的速度传播，成为先驱波；随后则是速度 较慢的塑性波
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岩石中的弹性纵波和横波波速 岩石中的弹性纵波和横波波速为 弹性纵波和横波波速为
1 E (1 − µ ) Cp = [ ]2 ρ (1 + µ )(1 − 2µ )
1 E Cs = [ ]2 ρ (1 + µ )
Cp和Cs分别表示纵波和横波的波速；E为岩石的弹性模量； Cp和Cs分别表示纵波和横波的波速 分别表示纵波和横波的波速； 为岩石的弹性模量； ρ和µ分别为岩石的密度和泊松比 可以通过测定岩石中的弹性波波速来确定岩石的动力学参 数
岩石的强度随应坐变率变化的关系为
应变率变化对强度的影响是有限的 Grady从理论上分析说明， Grady从理论上分析说明，当＞10-3／秒时， n＝1／3，并 10从理论上分析说明 秒时， 且与材料无关
6.3.3 岩石的动力变形特性和材料参数
在拟静态(ε＜10在拟静态(ε＜10-4 ／s)条件下，多数岩石具有下列的变形特性： s)条件下，多数岩石具有下列的变形特性： 在单向加载岩石的变形可以分为初始压密段、线性段、屈服段和破坏后 区段等四个部分 加载到一定数值时，岩石会出现剪胀 增加围压使岩石的剪胀性变小，并使破坏后区的性质由应变软化向应变 硬化过渡 变形大小对应变率变化很敏感 在动载情况下岩石的变形特性有不同程度的变化；试验结果表明，当应 变率高达100／ 变率高达100／s阶岩石仍表现出类似于准静态加载时的变形特性。
6.4.1 弹性介质中的应力波
弹性波的应力幅值比岩石的抗压强度小，以声速向 弹性波的应力幅值比岩石的抗压强度小， 前传播 弹性波的应力应变关系符合广义虎克定律。弹性波 弹性波的应力应变关系符合广义虎克定律。 传播时岩石质点运动方程为
连续方程：
本构方程： 胡克定律 定解条件：初始条件、边界条件
平面波：一维条件下波的传播 平面波：一维条件下波的传播
6.3.2 岩石的动力强度
准静态加载与动态加载没有根本的区别，而仅仅是加裁速率 准静态加载与动态加载没有根本的区别， 的范围不同；当加载速率(应变率)在10-4-10-6／s的范围内 的范围不同；当加载速率(应变率) 10- 10均认为属于准静态加载。 均认为属于准静态加载。 在准静态加载试验中得到的岩石强度与应变率有关的结论， 在准静态加载试验中得到的岩石强度与应变率有关的结论， 在动力加载试验中仍然成立
球面波和柱面波
运动方程：
在球（柱）腔内突加荷载下的解 在球（
柱面波
球面波：
6.4.2 塑性波的传播
传播速度
6.4.3 应力波在粘弹性介质中的传播
6.4.4 应力波在界面上的透反射
应力波传播到达两种介质的交界面时一部份波的能 量折射入另一种介质内，而另一部份能量则反射回 原来的介质中 岩石中的层理、节理、断层或临空（水）面都可视 为界面 讨论最筒单的正反射情况
岩石声波速度的影响因素
含水量、孔隙率及其应力状态 含水量、
Vf是岩石中的孔隙被水饱和时的声速 Vf是岩石中的孔隙被水饱和时的声速 v r是岩石无孔隙时的声速 r是岩石无孔隙时的声速 Ф是孔隙率 v是孔晾率为0时岩石的声速 是孔晾率为0
岩石受到轴向压力时，在与压力方向正交方向，声速随压 岩石受到轴向压力时，在与压力方向正交方向， 应力增加而减少；在与加压方向一致方向， 应力增加而减少；在与加压方向一致方向，声速随着压应 力的增加而增大； 力的增加而增大； 在破坏之前应变急剧增大的点上其声速显著地变小，因此 在破坏之前应变急剧增大的点上其声速显著地变小， 通过声速测试可监测岩石破坏的状态
ΔW 为当一正弦波通过粘弹性体时一个周期内的能量损 耗;W 为该周期内贮存的最大弹性势能
应力波波在岩土体中传播时的衰减可用幅值谱函数表示
n = 0 、0.5 和1 分别代表平面波、柱面波和球面波; 分别代表平面波、柱面波和球面波; A 0 和A 分别代表爆心距为R0 和R处的频率为ω的地震波
的幅值;
在动力加载条件下岩石的弹性常数E 在动力加载条件下岩石的弹性常数E和泊松比会有所变化 动弹性模量量高于静弹性模量 弹性模量随应变率提高而增加的幅度对各种岩石是各不相 同的 泊松比的变化则是随应变率提高而减小，即动泊松比小于 泊松比的变化则是随应变率提高而减小， 静泊松比
6.4 应力波在岩石地层中的传播
ห้องสมุดไป่ตู้
岩石的衰减参数 岩石除了具有弹性性质以外，通常还具有粘性性质 岩石除了具有弹性性质以外， 对粘弹性岩体中, 对粘弹性岩体中, 应力波传播过程其振幅的损耗要超过因 几何扩散及界面的反射所引起的振幅的衰减； 几何扩散及界面的反射所引起的振幅的衰减；这种额外的 振幅损耗通常被称之为衰减 振幅损耗通常被称之为衰减 在地震学中，岩石的衰减常用地质品质因子Q′描述: 描述: 在地震学中，岩石的衰减常用地质品质因子
应力波在岩石介质中的传播是岩石动力学的重要课题 应力被在岩石介质中传播的性质， 应力被在岩石介质中传播的性质，应力波峰值与岩石强度 的关系 在强爆炸应力区，岩石本构模型视为流体动力学模型，关 在强爆炸应力区，岩石本构模型视为流体动力学模型， 键是给出状态方程； 键是给出状态方程； 在中等应力区，本构模型采用弹塑性本构模型； 在中等应力区，本构模型采用弹塑性本构模型； 在低压应力区，采用本构模型 在低压应力区，
6.3 岩石的动力特性
6.3.1岩石的声波特性 6.3.1岩石的声波特性
当岩石受到地振动、冲击或爆破作用时，各种不同动力特性 当岩石受到地振动、冲击或爆破作用时， 的应力波在岩石(岩体) 的应力波在岩石(岩体)中传播 当应力值(相对岩石强度言) 当应力值(相对岩石强度言)较高时岩石中可能出现塑性波和 冲击波 当应力值较低时则只产生弹性被 弹性波总是以更快的速度传播，成为先驱波； 弹性波总是以更快的速度传播，成为先驱波；随后则是速度 较慢的塑性波
α(ω) 为衰减指数 c 为爆破地震波的传播速度
i 为虚数单位。 为虚数单位。
岩石中声波的速度通常与频率无关 岩石的地质品质因子与频率无关 衰减常数与频率有关；频率越高的声波， 衰减常数与频率有关；频率越高的声波，在岩石中的衰减 越显著，因而向外传播也越困难 越显著，
衰减参数的确定方法 室内测定包括岩样的脉冲法、谐振杆法、 室内测定包括岩样的脉冲法、谐振杆法、谐振球法 以及应力周期(扭摆) 法。 野外测定岩土介质衰减参数主要是在离震源不同距 离处记录震动波形,通过比较和分析不同爆心距处 的震动波形来确定衰减参数。 的震动波形来确定衰减参数。
应力一应变曲线没有出现初始压密段，一开始加载就表现 应力一应变曲线没有出现初始压密段， 出线性上升的趋势， 出线性上升的趋势，存在明显的屈服点 屈服段的长度比静态加载的要长些 在有侧阻压力的条件下，向加载到一定数值时，岩石会出 在有侧阻压力的条件下，向加载到一定数值时， 现剪胀。 现剪胀。
动、静荷载下岩石的应力一应变关系仅仅是大致相似，而 静荷载下岩石的应力一应变关系仅仅是大致相似， 非完全相同 相似的原因是，即使“静力加载”实际上也是“准静态” 相似的原因是，即使“静力加载”实际上也是“准静态” 的，只是应变率较小的加载方式而“动力加裁”则是相对 只是应变率较小的加载方式而“动力加裁” 地高应变率的加载方式 表现出的差异体现了量变导致质变的结果，在高应变率情 表现出的差异体现了量变导致质变的结果， 况下，岩石内部应力状态和受力结构还来不及调轻微裂隙 况下， 发育较差， 发育较差，破坏性质变脆 初始压密段的消失以及屈服段变长，就是明显的例证 初始压密段的消失以及屈服段变长， 在不考虑岩石破坏后性态以及应变率低于1000 在不考虑岩石破坏后性态以及应变率低于1000／s的条件下， 1000／ 的条件下， 动、静态的本构方程可取相同的形式