不同地應力下應力波在節(jié)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(qū)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(shù)大小斷層破碎帶、高地應力以及大變形區(qū)域.正在規(guī)劃建設的川藏鐵路，沿線穿越8座高山，隧道埋深從數(shù)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(jié)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(jié)理巖體中應力波傳播與衰減規(guī)律不明晰.因此，研究應力波在地應力作用下節(jié)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(jié)理巖體中的傳播已經(jīng)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(jié)理的性質進行研究，如法向應力—節(jié)理閉合量本構關系[8-10]、節(jié)理張開—閉合行為[7,11]、節(jié)理數(shù)量[12-14]、節(jié)理剛度[15]、節(jié)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(shù)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(jīng)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(lián)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(fā)現(xiàn)，巖體的初始地應力場會影響聲波波速及巖體節(jié)理的剛度系數(shù).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(jié)理巖體中的傳播進行了分析，發(fā)現(xiàn)爆炸應力波在節(jié)理巖體中的衰減歸因于巖石材料和節(jié)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(jié)理變形滿足BB模型，分析了地震波在地應力條件下節(jié)理巖體中傳播衰減規(guī)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(jié)理閉合—張開的動力特性，顯示地應力不僅影響節(jié)理的透、反射波，而且還影響節(jié)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(jié)理巖體應力波傳播與衰減規(guī)律，研究深地動力學基本理論及地震孕育演化發(fā)生的機理及規(guī)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(tǒng)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(guī)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(jié)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(fā)應力波，分析了應力波在地應力荷載下單條節(jié)理和多條平行節(jié)理中的傳播衰減規(guī)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(jié)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(jié)理塊體組成，從左至右編號為①～⑤，從而產生4條平行節(jié)理，如圖1(a)所示.其中單條節(jié)理分布在母體左側，其余3條平行節(jié)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(jié)理.與入射波波長相比，這里的節(jié)理光滑且不考慮厚度.母體的長×寬×高=60 cm×80 cm×25 cm，節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(tǒng)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(guī)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(fā)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(tài)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(tài)應變的測量作為應力波傳播的最基本量測參數(shù).由于超動態(tài)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(tài)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(tài)應變儀進行數(shù)據(jù)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(jié)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(guī)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(shù)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(xù)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(tài)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(wěn)定10 min以上，使模型節(jié)理在地應力作用下被壓密.

在動態(tài)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(wěn)壓完成后，瞬間放電，通過超動態(tài)應變儀采集測點動態(tài)應變時程曲線，完成一次數(shù)據(jù)采集.在2 500 V電壓下，每個地應力水平下激發(fā)3次，總共得到18組動態(tài)應變數(shù)據(jù).電火花在2 500 V充電時的發(fā)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(fā)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(fā)能量可達/10 000J，電火花激發(fā)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(fā)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(fā)的能量如圖4所示，圖由4可知，不同電壓下電火花平均發(fā)射能量基本平穩(wěn)，最大平均發(fā)射能量為746.3J，最小發(fā)射能量為665.5J.

圖4 ZDF-3型點火花不同電壓下的平均發(fā)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(jié)理測點T1和多條節(jié)理測點T8的動應變和透射系數(shù).

2.1 單條節(jié)理時的動應變

經(jīng)ZDF-3電火花激震后，采集測點T1到應力波傳過單條節(jié)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(xiàn)壓縮波，緊接著出現(xiàn)反射拉伸波.② 當?shù)貞?.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(tài)變形越小，說明激發(fā)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(xiàn)的時間間隔隨地應力增加而縮短.④ 根據(jù)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(jié)理測點T1透射應變波隨地應力的變化

2.2 多條節(jié)理時的動應變

應力波傳過3條節(jié)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?shù)貞?.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(jié)理時的結論類似.透射應變波峰值減小的原因是節(jié)理數(shù)量的增加.②與單條節(jié)理相比，3條節(jié)理的透射應變波衰減規(guī)律與單條節(jié)理時波形相似，即在第1個峰值之后還有后續(xù)的波峰，但是3條節(jié)理的動應變明顯小于單條節(jié)理時的情況，如圖6(b)所示，原因是節(jié)理數(shù)量和應力波傳播距離分別增加.

圖6 多條節(jié)理8號測點應變波隨地應力的變化對比

2.3 透射系數(shù)

透射系數(shù)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(shù)如圖7所示.

從圖7中可得出，隨著地應力增加，單條節(jié)理和多條節(jié)理的透射系數(shù)逐漸減小，當?shù)貞?.5 MPa增加到2 MPa時，透射系數(shù)急劇下降，之后透射系數(shù)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(jīng)發(fā)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(jié)理剛度增加的部分，二者共同作用導致透射系數(shù)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(shù)明顯小于測點T1的透射系數(shù)，表明節(jié)理數(shù)量和傳播距離對透射波的衰減影響明顯.

圖7 單條節(jié)理T1和多條節(jié)理T8的透射系數(shù)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(jié)理及多條節(jié)理時的衰減規(guī)律.提出用ZDF-3型電火花震源激發(fā)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(jié)理還是多條節(jié)理，當?shù)貞?.5 MPa增加到5.0 MPa時，透射應變波都是先出現(xiàn)壓縮波，緊接著出現(xiàn)了反射拉伸波.

2)當單條節(jié)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?shù)貞^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(jié)理時，隨著地應力的增加，透射應變波衰減規(guī)律與單條節(jié)理時的波形相似，但多條節(jié)理的動應變和透射系數(shù)明顯小于單條節(jié)理時的情形，其原因是由于節(jié)理數(shù)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(jié)理巖體是適用的，對于復雜應力狀態(tài)下的應力波傳播衰減還有待進一步的研究.