第3章岩体动力学性质
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3 岩体的动力学性质
3.1 概 述
1. 问题的提出
➢ 冲击凿岩时岩体的破裂特征 ➢ 地震及爆破下地下工程的稳定型问题 ➢ 道路路基的动荷载 ➢ 振动桩与岩土体相互作用问题
3.1 概 述
2 研究内容
研 岩体本身动力特性研究
相
究
互
内
岩体在各种动载下的应力、
影
容 应变、位移及破坏特征
响
3.1 概 述
Baidu Nhomakorabea
4.动、静弹模关系 利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体完整性系数
Kv，用动弹性模量换算静弹性模量。
E jE KV
vmp vrp
2
me
d
3.3 影响岩体弹性波速度的因素
➢岩石种类、密度及生成年代 ➢岩石中裂隙或夹层 ➢岩石的有效孔隙率及吸水率 ➢岩体的各向异性 ➢岩体应力状态
1）、岩石种类、 密度及生成年代
3.岩体弹性波速测试 （1）岩块声波波速测试
v pr
L tp t0
L t p
vsr
ts
L t0
L ts
3.2 岩体中应力波类型及传播
3.岩体弹性波速测试 （2）岩体声波波速测试
v pm
L tp t0
L t p
vsm
ts
L t0
L ts
常见完整岩块相关参数
常见岩体相关参数
3.2 岩体中应力波类型及传播
2G
E 1
VP 1 1 2
介质密度
VS
G
E
21
E 动弹模量
泊松比
应用实例
已知P波、S波波速和介质密度，求解动弹模 量、动泊松比和动剪切模量。
根据p 2(1 )，求解； s 1 2
根据代入p或s式求解E；
代入G E 求解G。
2(1 )
3.2 岩体中应力波类型及传播
n beap
3）、波速与吸水率
随着吸水率的增 加，纵波波速急剧 减小；
4）岩体的各项异性
平行层 里面方向 波速大于 垂直方向， 二者比值 为各向异 性系数。
4）岩体的各项异性
平行层里面方向波速大于垂直方向
4）岩体的各项异性
垂直岩层压力越大，各向异性变小
5）岩体所受压力
5）岩体所受压力
弹性波确定围岩松动圈范围
2）、岩体中裂隙或夹层
a.风化越 严重，纵 波速度越 小； b.夹层厚 度越大， 纵波波速 越小。
风化程度 微风化 微-弱风化 弱风化
夹层厚度比 0 25 49 56
纵波速度 4800 4100 3050
纵波波速 5870 5230 4950 4540
3）、波速与有效孔隙率
随着孔隙率的增 加，纵波波速急剧 减小；
勒夫波—L波（Love Wave）
A Love wave is a surface wave having a horizontal motion that is transverse (or perpendicular) to the direction the wave is traveling.
LOVE波只在与传播方向垂直的方向水平振动。
其他分类
1、弹性波若质点做简谐振动为正弦波， 根据频率又分为:
次声波（<20Hz）;声波（20~2×104Hz） 超声波（>2×104Hz）;特超声波（>1010Hz）
2、按波面形状，分为平面波、柱面波和 球面波。
3.2 岩体中应力波类型及传播
2.岩体中弹性波的传播
3 岩体动力学、静力学、流变力学划分
荷载状态
蠕变 静态
应变率 （1/s）
<10-5
10-5~10-1
试验方式
动静态 区别
蠕流变变试验力机 学范畴 惯性力
静力学范畴 普通试验机和刚性伺服试验机 可忽略
准动态 动态 超动态
10-1~101 101~104
>104
气动快速加载机
动力学范畴 霍布金逊赶及其变形装置
1、岩体纵波速度总 体呈正态分布； 2、新生代第三纪砂 岩、泥岩，纵波速度 分布较广； 3、变质岩的纵波速 度比岩浆岩和古生代 及中生代沉积岩稍大。
纵波与密度
p 0.35 1.88 p
2）、岩体中裂隙或夹层
频率越 低，跨越裂 隙宽度越大。
2）、岩体中裂隙或夹层
弹性 波速与裂 隙数目负 相关
在松动圈内，用于岩体破碎且属于低应 力区，波速较小，当进入松动圈边界完整岩 体区域，应力较高，波速达到最大，之后波 速又逐渐减小至一定值。故松动圈边界在波 速最大值深度附近。
弹性波确定围岩松动圈范围
弹性波确定围岩松动圈范围
惯性力 不可忽略
轻气炮，平面波发生器
3.2 岩体中应力波类型及传播
1.应力波类型
粘弹性波
体波
分
弹性波
类
塑性波
面波
冲击波
纵波，P波 横波，S波
瑞利波，R波 勒夫波，L波
纵波—P波
振动方向与传播方向相同，产生压缩和拉伸变形
横波—S波
振动方向与传播方向垂直，产生剪切变形
瑞利波—R波（Rayleigh Wave）
A Rayleigh wave is a seismic surface wave causing the ground to shake in an elliptical motion, with no transverse, or perpendicular motion.
Rayleigh波是质点在与传播方向平行的平面内做椭圆 运动的波，椭圆长轴垂直地面
3.1 概 述
1. 问题的提出
➢ 冲击凿岩时岩体的破裂特征 ➢ 地震及爆破下地下工程的稳定型问题 ➢ 道路路基的动荷载 ➢ 振动桩与岩土体相互作用问题
3.1 概 述
2 研究内容
研 岩体本身动力特性研究
相
究
互
内
岩体在各种动载下的应力、
影
容 应变、位移及破坏特征
响
3.1 概 述
Baidu Nhomakorabea
4.动、静弹模关系 利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体完整性系数
Kv，用动弹性模量换算静弹性模量。
E jE KV
vmp vrp
2
me
d
3.3 影响岩体弹性波速度的因素
➢岩石种类、密度及生成年代 ➢岩石中裂隙或夹层 ➢岩石的有效孔隙率及吸水率 ➢岩体的各向异性 ➢岩体应力状态
1）、岩石种类、 密度及生成年代
3.岩体弹性波速测试 （1）岩块声波波速测试
v pr
L tp t0
L t p
vsr
ts
L t0
L ts
3.2 岩体中应力波类型及传播
3.岩体弹性波速测试 （2）岩体声波波速测试
v pm
L tp t0
L t p
vsm
ts
L t0
L ts
常见完整岩块相关参数
常见岩体相关参数
3.2 岩体中应力波类型及传播
2G
E 1
VP 1 1 2
介质密度
VS
G
E
21
E 动弹模量
泊松比
应用实例
已知P波、S波波速和介质密度，求解动弹模 量、动泊松比和动剪切模量。
根据p 2(1 )，求解； s 1 2
根据代入p或s式求解E；
代入G E 求解G。
2(1 )
3.2 岩体中应力波类型及传播
n beap
3）、波速与吸水率
随着吸水率的增 加，纵波波速急剧 减小；
4）岩体的各项异性
平行层 里面方向 波速大于 垂直方向， 二者比值 为各向异 性系数。
4）岩体的各项异性
平行层里面方向波速大于垂直方向
4）岩体的各项异性
垂直岩层压力越大，各向异性变小
5）岩体所受压力
5）岩体所受压力
弹性波确定围岩松动圈范围
2）、岩体中裂隙或夹层
a.风化越 严重，纵 波速度越 小； b.夹层厚 度越大， 纵波波速 越小。
风化程度 微风化 微-弱风化 弱风化
夹层厚度比 0 25 49 56
纵波速度 4800 4100 3050
纵波波速 5870 5230 4950 4540
3）、波速与有效孔隙率
随着孔隙率的增 加，纵波波速急剧 减小；
勒夫波—L波（Love Wave）
A Love wave is a surface wave having a horizontal motion that is transverse (or perpendicular) to the direction the wave is traveling.
LOVE波只在与传播方向垂直的方向水平振动。
其他分类
1、弹性波若质点做简谐振动为正弦波， 根据频率又分为:
次声波（<20Hz）;声波（20~2×104Hz） 超声波（>2×104Hz）;特超声波（>1010Hz）
2、按波面形状，分为平面波、柱面波和 球面波。
3.2 岩体中应力波类型及传播
2.岩体中弹性波的传播
3 岩体动力学、静力学、流变力学划分
荷载状态
蠕变 静态
应变率 （1/s）
<10-5
10-5~10-1
试验方式
动静态 区别
蠕流变变试验力机 学范畴 惯性力
静力学范畴 普通试验机和刚性伺服试验机 可忽略
准动态 动态 超动态
10-1~101 101~104
>104
气动快速加载机
动力学范畴 霍布金逊赶及其变形装置
1、岩体纵波速度总 体呈正态分布； 2、新生代第三纪砂 岩、泥岩，纵波速度 分布较广； 3、变质岩的纵波速 度比岩浆岩和古生代 及中生代沉积岩稍大。
纵波与密度
p 0.35 1.88 p
2）、岩体中裂隙或夹层
频率越 低，跨越裂 隙宽度越大。
2）、岩体中裂隙或夹层
弹性 波速与裂 隙数目负 相关
在松动圈内，用于岩体破碎且属于低应 力区，波速较小，当进入松动圈边界完整岩 体区域，应力较高，波速达到最大，之后波 速又逐渐减小至一定值。故松动圈边界在波 速最大值深度附近。
弹性波确定围岩松动圈范围
弹性波确定围岩松动圈范围
惯性力 不可忽略
轻气炮，平面波发生器
3.2 岩体中应力波类型及传播
1.应力波类型
粘弹性波
体波
分
弹性波
类
塑性波
面波
冲击波
纵波，P波 横波，S波
瑞利波，R波 勒夫波，L波
纵波—P波
振动方向与传播方向相同，产生压缩和拉伸变形
横波—S波
振动方向与传播方向垂直，产生剪切变形
瑞利波—R波（Rayleigh Wave）
A Rayleigh wave is a seismic surface wave causing the ground to shake in an elliptical motion, with no transverse, or perpendicular motion.
Rayleigh波是质点在与传播方向平行的平面内做椭圆 运动的波，椭圆长轴垂直地面