不同地应力下应力波在节理岩体中传播试验

范占锋，张 华

(成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

西部山区在建或即将修建的高铁、公路以及水利工程都避绕不开无数大小断层破碎带、高地应力以及大变形区域.正在规划建设的川藏铁路，沿线穿越8座高山，隧道埋深从数百米至2 600 m，高地应力问题突出[1-2].钻爆法仍是当前隧道开挖的主要方法，常用的地震波反射波法超前地质预报都涉及炸药爆破，而这些爆破产生的应力波在高地应力作用下在节理岩体中的反射、透射引起的应力波衰减问题至今未能得到很好地解决，使得节理岩体中应力波传播与衰减规律不明晰.因此，研究应力波在地应力作用下节理岩体中的传播具有一定的理论意义和实际工程应用价值.

研究应力波在节理岩体中的传播已经有大量的报道，其主要分为以下两个方面：一方面是从应力波的性质进行研究，如从纵波(P波)和横波(S波)的入射角[3-5]，尤其以法向入射为主(即入射角为0°)分析入射波的振幅和频率[6]及不同类型的波(三角形波、方形波)[4,7]；另一方面是从节理的性质进行研究，如法向应力—节理闭合量本构关系[8-10]、节理张开—闭合行为[7,11]、节理数量[12-14]、节理刚度[15]、节理面起伏度和吻合度以及充填物性质等对应力波的传播衰减影响[16-20].这些研究大都采用理论分析、数值模拟及物理模型试验等相结合的方法.其中，关于模型试验基本采用SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)试验，也有超声波试验，涉及大尺寸试验相对较少，而有关地应力条件下的模型试验更少.

实际上，相关学者们已经意识到地应力对应力波的传播与衰减有很大影响.Yi等[21]指出，联合预应力在深部资源开采中对应力波的传播和反射起着重要作用，地应力的存在影响地震衰减、能量传递和有效地震速度.李宁等[22]研究发现，岩体的初始地应力场会影响声波波速及岩体节理的刚度系数.李高勇[23]得出在一定条件下砂岩的波速与初始静应力呈线性关系.李新平等[24-26]通过室内物理试验并结合BB模型，对地应力条件下应力波在单条及多条节理岩体中的传播进行了分析，发现爆炸应力波在节理岩体中的衰减归因于岩石材料和节理两部分共同作用，初始地应力与应力波传播方向垂直时应力波衰减明显.Fan等[6]假定节理变形满足BB模型，分析了地震波在地应力条件下节理岩体中传播衰减规律，指出透射地震波衰减、能量传播及有效波速均受地应力的影响.Li等[11]研究了压缩应力波传过单条和多条平行节理闭合—张开的动力特性，显示地应力不仅影响节理的透、反射波，而且还影响节理的动力响应.谢和平等[27]提出应建立深地实验室探索深地原位节理岩体应力波传播与衰减规律，研究深地动力学基本理论及地震孕育演化发生的机理及规律.

目前，在不同地应力条件下，应力波的传播衰减研究方面存在着系统性和准确性薄弱的问题，需要针对应力波在不同地应力条件下的衰减规律开展更为深入的研究.本研究设计了一个由多个水泥砂浆试件组成的可模拟节理分布和施加地应力荷载的组合模型试验，提出了用ZDF-3 (ZhiliuDian Fire-3) 型电火花激震的方法激发应力波，分析了应力波在地应力荷载下单条节理和多条平行节理中的传播衰减规律，得出了一些有意义的结果.

1 模型试验

1.1 试验设计

设计一个可模拟节理分布和施加地应力荷载的组合模型，如图1所示.该组合模型由1个母体和4个节理块体组成，从左至右编号为①～⑤，从而产生4条平行节理，如图1(a)所示.其中单条节理分布在母体左侧，其余3条平行节理位于母体右侧.由于试验条件所限，模型中只设置了3条平行节理.与入射波波长相比，这里的节理光滑且不考虑厚度.母体的长×宽×高=60 cm×80 cm×25 cm，节理块体的尺寸为30 cm×80 cmn×25 cm，另外两边尺寸与母体相同.用于模拟地应力的两种载荷沿长度方向施加，另外两个方向自由. 从左到右依次排列在模型中布置8个测试点，设置编号为测点T1～T8，如图1(b)所示.其中T1布置在单条节理块体中，距离炮孔35 cm；测点T2～T5分布在母体中，距离炮孔均为25 cm；测点T6～T8位于多条节理块体中，距离炮孔分别为35 cm，65 cm，95 cm.由于模型为重复试验，为防止模型破坏，将带有底座的圆柱形钢管埋入炮孔，钢管尺寸如图1(c)所示.

图1 应力波在地应力作用下节理岩体中传播组合模型示意图(单位：cm)

1.2 ZDF-3型电火花震源

传统的地震勘探通常采用炸药作为震源，由于炸药爆炸后会同时产生应力波和爆生气体，其频谱宽、能量大、可控性差以及危险性高，且应力波和爆生气体同时存在、难以分离.为了研究应力波的衰减规律，采用一种新型的ZDF-3型电火花作为震源，该设备是通过超高的电压，在水介质中瞬间释放能量，从而产生应力波[28]，如图2所示.

图2 ZDF-3型电火花震源

ZDF-3型电火花震源的主要特点有：1)能量大，其最大激发电压为7 000 V；2)高频成分丰富，电火花震源在水中的主频为40 Hz～300 Hz，脉冲振动衰减时间基本保持在0.015 s～0.04 s之间，衰减时间较短.

1.3 超动态应变仪

岩石在爆炸载荷作用下，爆炸作用力以应变波的形式在岩石中传播.因此，本测试将超动态应变的测量作为应力波传播的最基本量测参数.由于超动态测量时对采样率要求非常高，电阻应变法是目前岩石冲击动力学问题中最常用的测量超动态应变的方法，本试验选择西南科技大学爆炸与冲击动力学实验室的DH5939型超动态应变仪进行数据采集，该设备的最高采样率为10 MHz，共8个采样通道.

1.4 模型组装

模型试验主要模拟不同地应力条件下应力波在节理岩体中的传播，因此，模型材料配合比无须严格按照特定相似比来确定.本次试验将参考相关标准及规程设计强度等级对M30的砂浆进行模型的浇筑[29-30]，浇筑完成的水泥砂浆组合模型如图3所示.水泥砂浆物理力学参数为：纵波波速平均值为1 613 m/s，密度为2 157 kg/m3，抗压强度为28.0 MPa，弹性模量为2.65 GPa，均满足后续测试的强度要求.

图3 安装加载装置后的水泥砂浆组合模型图

地应力施加是通过在模型两端安装长方体形状的自制反力架来完成，其尺寸为110 cm×14.5 cm×25 cm，钢板厚为2 cm，反力架两端制作预制孔2个，两边各通过3根7丝(每丝直径为5 mm)钢绞线施加预应力，钢绞线长为3 m，共6束，每束直径为15 mm.准备2个100 t穿心千斤顶，千斤顶最大行程为20 cm，能满足所需要的加载条件.

1.5 试验过程

在静态阶段，通过加载设备将相同大小的均匀载荷沿模型的长度方向进行加载.本试验考虑了6个不同地应力值，分别为0.5 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa、4.0 MPa和5.0 MPa.每个地应力加载时间应稳定10 min以上，使模型节理在地应力作用下被压密.

在动态阶段，首先在炮孔中灌水，将带有铜芯的电火花电缆探头置于孔中，封孔.启动ZDF-3电火花源并充电至2 500 V，稳压完成后，瞬间放电，通过超动态应变仪采集测点动态应变时程曲线，完成一次数据采集.在2 500 V电压下，每个地应力水平下激发3次，总共得到18组动态应变数据.电火花在2 500 V充电时的发射能量按照文献[28]中的公式计算，如公式(1)所示，

(1)

式中，Q为电火花发射能量,/J；C(=420 μF)为电火花电容器电容；U为电容器中存储的电压,/v.最大激发能量可达/10 000J，电火花激发能可调可控，波动较小.

2 测试结果分析

试验首先分析了电压分别为2 500V、3 000V、3 500V时的电火花发射能量，3种电压所产生的应力波强度小于砂浆试块的扰拉强度，砂浆试块未产生破坏，同时确保试验过程安全.不同充电电压下电火花激发的能量如图4所示，图由4可知，不同电压下电火花平均发射能量基本平稳，最大平均发射能量为746.3J，最小发射能量为665.5J.

图4 ZDF-3型点火花不同电压下的平均发射能量

通过调试，本试验主要分析了电压为2 500 V时单条节理测点T1和多条节理测点T8的动应变和透射系数.

2.1 单条节理时的动应变

经ZDF-3电火花激震后，采集测点T1到应力波传过单条节理时的应变波如图5所示，图中负值表示压缩，正值表示拉伸.从图5中可以得出：①在不同地应力作用下，透射应变波均是先出现压缩波，紧接着出现反射拉伸波.② 当地应力从0.5 MPa增加到5.0 MPa，透射应变波的峰值逐渐减小，如图5(a)所示.地应力越大，应力波引起的岩体动态变形越小，说明激发能量相同时，初始地应力与电火花产生的应力波相互叠加，地应力对波传播有一定的抑制作用.③ 透射应变波峰值出现的时间间隔随地应力增加而缩短.④ 根据文献[19]提出的有效波速的定义，可求得测点T1透射波有效波速随地应力的变化如图5(b)所示，表示随着地应力的增加，有效波速逐渐增加.

图5 单条节理测点T1透射应变波随地应力的变化

2.2 多条节理时的动应变

应力波传过3条节理后,测点T8的变化情况如图6所示.从图6中可以看出：①当地应力从0.5 MPa逐渐增加到5.0 MPa时，透射应变波的峰值从2.46E4 με减小到1.2E4 με，即透射波峰值随地应力的增加而减小，这与单条节理时的结论类似.透射应变波峰值减小的原因是节理数量的增加.②与单条节理相比，3条节理的透射应变波衰减规律与单条节理时波形相似，即在第1个峰值之后还有后续的波峰，但是3条节理的动应变明显小于单条节理时的情况，如图6(b)所示，原因是节理数量和应力波传播距离分别增加.

图6 多条节理8号测点应变波随地应力的变化对比

2.3 透射系数

透射系数等于透射动应变峰值与入射应变波峰值之比.以测点3的应变波作为入射波，不同地应力下测点T1和测点T8的透射系数如图7所示.

从图7中可得出，随着地应力增加，单条节理和多条节理的透射系数逐渐减小，当地应力从0.5 MPa增加到2 MPa时，透射系数急剧下降，之后透射系数衰减不明显.表明在地应力增加时模型材料内部实际上已经发生了塑性变形，因模型材料导致应力波传播衰减部分大于由于地应力增加节理刚度增加的部分，二者共同作用导致透射系数减小，这与李新平等[25]所得结论基本一致.观察到测点T8的透射系数明显小于测点T1的透射系数，表明节理数量和传播距离对透射波的衰减影响明显.

图7 单条节理T1和多条节理T8的透射系数对比

3 结 论

通过模型试验，研究了不同地应力荷载条件下，应力波传过单条节理及多条节理时的衰减规律.提出用ZDF-3型电火花震源激发应力波，重点分析了2 500 V电压下应力波的传播特征.主要得出以下结论：

1)不论单条节理还是多条节理，当地应力从0.5 MPa增加到5.0 MPa时，透射应变波都是先出现压缩波，紧接着出现了反射拉伸波.

2)当单条节理时，随地应力的增加，透射应变波峰值减小，表明地应力对应力波传播有一定的抑制作用；当地应力较大时，模型材料对应力波的能量有一定的吸收和耗散作用，使得应力波衰减.

3)当多条节理时，随着地应力的增加，透射应变波衰减规律与单条节理时的波形相似，但多条节理的动应变和透射系数明显小于单条节理时的情形，其原因是由于节理数量的增加和传播距离增加.

以上结论对于以一个方向的地应力为主的节理岩体是适用的，对于复杂应力状态下的应力波传播衰减还有待进一步的研究.