不同地應力下應力波在節理巖體中傳播試驗

范占鋒，張 華

(成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

西部山區在建或即將修建的高鐵、公路以及水利工程都避繞不開無數大小斷層破碎帶、高地應力以及大變形區域.正在規劃建設的川藏鐵路，沿線穿越8座高山，隧道埋深從數百米至2 600 m，高地應力問題突出[1-2].鉆爆法仍是當前隧道開挖的主要方法，常用的地震波反射波法超前地質預報都涉及炸藥爆破，而這些爆破產生的應力波在高地應力作用下在節理巖體中的反射、透射引起的應力波衰減問題至今未能得到很好地解決，使得節理巖體中應力波傳播與衰減規律不明晰.因此，研究應力波在地應力作用下節理巖體中的傳播具有一定的理論意義和實際工程應用價值.

研究應力波在節理巖體中的傳播已經有大量的報道，其主要分為以下兩個方面：一方面是從應力波的性質進行研究，如從縱波(P波)和橫波(S波)的入射角[3-5]，尤其以法向入射為主(即入射角為0°)分析入射波的振幅和頻率[6]及不同類型的波(三角形波、方形波)[4,7]；另一方面是從節理的性質進行研究，如法向應力—節理閉合量本構關系[8-10]、節理張開—閉合行為[7,11]、節理數量[12-14]、節理剛度[15]、節理面起伏度和吻合度以及充填物性質等對應力波的傳播衰減影響[16-20].這些研究大都采用理論分析、數值模擬及物理模型試驗等相結合的方法.其中，關于模型試驗基本采用SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)試驗，也有超聲波試驗，涉及大尺寸試驗相對較少，而有關地應力條件下的模型試驗更少.

實際上，相關學者們已經意識到地應力對應力波的傳播與衰減有很大影響.Yi等[21]指出，聯合預應力在深部資源開采中對應力波的傳播和反射起著重要作用，地應力的存在影響地震衰減、能量傳遞和有效地震速度.李寧等[22]研究發現，巖體的初始地應力場會影響聲波波速及巖體節理的剛度系數.李高勇[23]得出在一定條件下砂巖的波速與初始靜應力呈線性關系.李新平等[24-26]通過室內物理試驗并結合BB模型，對地應力條件下應力波在單條及多條節理巖體中的傳播進行了分析，發現爆炸應力波在節理巖體中的衰減歸因于巖石材料和節理兩部分共同作用，初始地應力與應力波傳播方向垂直時應力波衰減明顯.Fan等[6]假定節理變形滿足BB模型，分析了地震波在地應力條件下節理巖體中傳播衰減規律，指出透射地震波衰減、能量傳播及有效波速均受地應力的影響.Li等[11]研究了壓縮應力波傳過單條和多條平行節理閉合—張開的動力特性，顯示地應力不僅影響節理的透、反射波，而且還影響節理的動力響應.謝和平等[27]提出應建立深地實驗室探索深地原位節理巖體應力波傳播與衰減規律，研究深地動力學基本理論及地震孕育演化發生的機理及規律.

目前，在不同地應力條件下，應力波的傳播衰減研究方面存在著系統性和準確性薄弱的問題，需要針對應力波在不同地應力條件下的衰減規律開展更為深入的研究.本研究設計了一個由多個水泥砂漿試件組成的可模擬節理分布和施加地應力荷載的組合模型試驗，提出了用ZDF-3 (ZhiliuDian Fire-3) 型電火花激震的方法激發應力波，分析了應力波在地應力荷載下單條節理和多條平行節理中的傳播衰減規律，得出了一些有意義的結果.

1 模型試驗

1.1 試驗設計

設計一個可模擬節理分布和施加地應力荷載的組合模型，如圖1所示.該組合模型由1個母體和4個節理塊體組成，從左至右編號為①～⑤，從而產生4條平行節理，如圖1(a)所示.其中單條節理分布在母體左側，其余3條平行節理位于母體右側.由于試驗條件所限，模型中只設置了3條平行節理.與入射波波長相比，這里的節理光滑且不考慮厚度.母體的長×寬×高=60 cm×80 cm×25 cm，節理塊體的尺寸為30 cm×80 cmn×25 cm，另外兩邊尺寸與母體相同.用于模擬地應力的兩種載荷沿長度方向施加，另外兩個方向自由. 從左到右依次排列在模型中布置8個測試點，設置編號為測點T1～T8，如圖1(b)所示.其中T1布置在單條節理塊體中，距離炮孔35 cm；測點T2～T5分布在母體中，距離炮孔均為25 cm；測點T6～T8位于多條節理塊體中，距離炮孔分別為35 cm，65 cm，95 cm.由于模型為重復試驗，為防止模型破壞，將帶有底座的圓柱形鋼管埋入炮孔，鋼管尺寸如圖1(c)所示.

圖1 應力波在地應力作用下節理巖體中傳播組合模型示意圖(單位：cm)

1.2 ZDF-3型電火花震源

傳統的地震勘探通常采用炸藥作為震源，由于炸藥爆炸后會同時產生應力波和爆生氣體，其頻譜寬、能量大、可控性差以及危險性高，且應力波和爆生氣體同時存在、難以分離.為了研究應力波的衰減規律，采用一種新型的ZDF-3型電火花作為震源，該設備是通過超高的電壓，在水介質中瞬間釋放能量，從而產生應力波[28]，如圖2所示.

圖2 ZDF-3型電火花震源

ZDF-3型電火花震源的主要特點有：1)能量大，其最大激發電壓為7 000 V；2)高頻成分豐富，電火花震源在水中的主頻為40 Hz～300 Hz，脈沖振動衰減時間基本保持在0.015 s～0.04 s之間，衰減時間較短.

1.3 超動態應變儀

巖石在爆炸載荷作用下，爆炸作用力以應變波的形式在巖石中傳播.因此，本測試將超動態應變的測量作為應力波傳播的最基本量測參數.由于超動態測量時對采樣率要求非常高，電阻應變法是目前巖石沖擊動力學問題中最常用的測量超動態應變的方法，本試驗選擇西南科技大學爆炸與沖擊動力學實驗室的DH5939型超動態應變儀進行數據采集，該設備的最高采樣率為10 MHz，共8個采樣通道.

1.4 模型組裝

模型試驗主要模擬不同地應力條件下應力波在節理巖體中的傳播，因此，模型材料配合比無須嚴格按照特定相似比來確定.本次試驗將參考相關標準及規程設計強度等級對M30的砂漿進行模型的澆筑[29-30]，澆筑完成的水泥砂漿組合模型如圖3所示.水泥砂漿物理力學參數為：縱波波速平均值為1 613 m/s，密度為2 157 kg/m3，抗壓強度為28.0 MPa，彈性模量為2.65 GPa，均滿足后續測試的強度要求.

圖3 安裝加載裝置后的水泥砂漿組合模型圖

地應力施加是通過在模型兩端安裝長方體形狀的自制反力架來完成，其尺寸為110 cm×14.5 cm×25 cm，鋼板厚為2 cm，反力架兩端制作預制孔2個，兩邊各通過3根7絲(每絲直徑為5 mm)鋼絞線施加預應力，鋼絞線長為3 m，共6束，每束直徑為15 mm.準備2個100 t穿心千斤頂，千斤頂最大行程為20 cm，能滿足所需要的加載條件.

1.5 試驗過程

在靜態階段，通過加載設備將相同大小的均勻載荷沿模型的長度方向進行加載.本試驗考慮了6個不同地應力值，分別為0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa、4.0 MPa和5.0 MPa.每個地應力加載時間應穩定10 min以上，使模型節理在地應力作用下被壓密.

在動態階段，首先在炮孔中灌水，將帶有銅芯的電火花電纜探頭置于孔中，封孔.啟動ZDF-3電火花源并充電至2 500 V，穩壓完成后，瞬間放電，通過超動態應變儀采集測點動態應變時程曲線，完成一次數據采集.在2 500 V電壓下，每個地應力水平下激發3次，總共得到18組動態應變數據.電火花在2 500 V充電時的發射能量按照文獻[28]中的公式計算，如公式(1)所示，

(1)

式中，Q為電火花發射能量,/J；C(=420 μF)為電火花電容器電容；U為電容器中存儲的電壓,/v.最大激發能量可達/10 000J，電火花激發能可調可控，波動較小.

2 測試結果分析

試驗首先分析了電壓分別為2 500V、3 000V、3 500V時的電火花發射能量，3種電壓所產生的應力波強度小于砂漿試塊的擾拉強度，砂漿試塊未產生破壞，同時確保試驗過程安全.不同充電電壓下電火花激發的能量如圖4所示，圖由4可知，不同電壓下電火花平均發射能量基本平穩，最大平均發射能量為746.3J，最小發射能量為665.5J.

圖4 ZDF-3型點火花不同電壓下的平均發射能量

通過調試，本試驗主要分析了電壓為2 500 V時單條節理測點T1和多條節理測點T8的動應變和透射系數.

2.1 單條節理時的動應變

經ZDF-3電火花激震后，采集測點T1到應力波傳過單條節理時的應變波如圖5所示，圖中負值表示壓縮，正值表示拉伸.從圖5中可以得出：①在不同地應力作用下，透射應變波均是先出現壓縮波，緊接著出現反射拉伸波.② 當地應力從0.5 MPa增加到5.0 MPa，透射應變波的峰值逐漸減小，如圖5(a)所示.地應力越大，應力波引起的巖體動態變形越小，說明激發能量相同時，初始地應力與電火花產生的應力波相互疊加，地應力對波傳播有一定的抑制作用.③ 透射應變波峰值出現的時間間隔隨地應力增加而縮短.④ 根據文獻[19]提出的有效波速的定義，可求得測點T1透射波有效波速隨地應力的變化如圖5(b)所示，表示隨著地應力的增加，有效波速逐漸增加.

圖5 單條節理測點T1透射應變波隨地應力的變化

2.2 多條節理時的動應變

應力波傳過3條節理后,測點T8的變化情況如圖6所示.從圖6中可以看出：①當地應力從0.5 MPa逐漸增加到5.0 MPa時，透射應變波的峰值從2.46E4 με減小到1.2E4 με，即透射波峰值隨地應力的增加而減小，這與單條節理時的結論類似.透射應變波峰值減小的原因是節理數量的增加.②與單條節理相比，3條節理的透射應變波衰減規律與單條節理時波形相似，即在第1個峰值之后還有后續的波峰，但是3條節理的動應變明顯小于單條節理時的情況，如圖6(b)所示，原因是節理數量和應力波傳播距離分別增加.

圖6 多條節理8號測點應變波隨地應力的變化對比

2.3 透射系數

透射系數等于透射動應變峰值與入射應變波峰值之比.以測點3的應變波作為入射波，不同地應力下測點T1和測點T8的透射系數如圖7所示.

從圖7中可得出，隨著地應力增加，單條節理和多條節理的透射系數逐漸減小，當地應力從0.5 MPa增加到2 MPa時，透射系數急劇下降，之后透射系數衰減不明顯.表明在地應力增加時模型材料內部實際上已經發生了塑性變形，因模型材料導致應力波傳播衰減部分大于由于地應力增加節理剛度增加的部分，二者共同作用導致透射系數減小，這與李新平等[25]所得結論基本一致.觀察到測點T8的透射系數明顯小于測點T1的透射系數，表明節理數量和傳播距離對透射波的衰減影響明顯.

圖7 單條節理T1和多條節理T8的透射系數對比

3 結 論

通過模型試驗，研究了不同地應力荷載條件下，應力波傳過單條節理及多條節理時的衰減規律.提出用ZDF-3型電火花震源激發應力波，重點分析了2 500 V電壓下應力波的傳播特征.主要得出以下結論：

1)不論單條節理還是多條節理，當地應力從0.5 MPa增加到5.0 MPa時，透射應變波都是先出現壓縮波，緊接著出現了反射拉伸波.

2)當單條節理時，隨地應力的增加，透射應變波峰值減小，表明地應力對應力波傳播有一定的抑制作用；當地應力較大時，模型材料對應力波的能量有一定的吸收和耗散作用，使得應力波衰減.

3)當多條節理時，隨著地應力的增加，透射應變波衰減規律與單條節理時的波形相似，但多條節理的動應變和透射系數明顯小于單條節理時的情形，其原因是由于節理數量的增加和傳播距離增加.

以上結論對于以一個方向的地應力為主的節理巖體是適用的，對于復雜應力狀態下的應力波傳播衰減還有待進一步的研究.