范占鋒，張 華

(成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)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(kāi)無(wú)數(shù)大小斷層破碎帶、高地應(yīng)力以及大變形區(qū)域.正在規(guī)劃建設(shè)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(yīng)力問(wèn)題突出[1-2].鉆爆法仍是當(dāng)前隧道開(kāi)挖的主要方法，常用的地震波反射波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)都涉及炸藥爆破，而這些爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在高地應(yīng)力作用下在節(jié)理巖體中的反射、透射引起的應(yīng)力波衰減問(wèn)題至今未能得到很好地解決，使得節(jié)理巖體中應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律不明晰.因此，研究應(yīng)力波在地應(yīng)力作用下節(jié)理巖體中的傳播具有一定的理論意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值.

研究應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播已經(jīng)有大量的報(bào)道，其主要分為以下兩個(gè)方面：一方面是從應(yīng)力波的性質(zhì)進(jìn)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(lèi)型的波(三角形波、方形波)[4,7]；另一方面是從節(jié)理的性質(zhì)進(jìn)行研究，如法向應(yīng)力—節(jié)理閉合量本構(gòu)關(guān)系[8-10]、節(jié)理張開(kāi)—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(zhì)等對(duì)應(yīng)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(yàn)等相結(jié)合的方法.其中，關(guān)于模型試驗(yàn)基本采用SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)試驗(yàn)，也有超聲波試驗(yàn)，涉及大尺寸試驗(yàn)相對(duì)較少，而有關(guān)地應(yīng)力條件下的模型試驗(yàn)更少.

實(shí)際上，相關(guān)學(xué)者們已經(jīng)意識(shí)到地應(yīng)力對(duì)應(yīng)力波的傳播與衰減有很大影響.Yi等[21]指出，聯(lián)合預(yù)應(yīng)力在深部資源開(kāi)采中對(duì)應(yīng)力波的傳播和反射起著重要作用，地應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)會(huì)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(yīng)力呈線性關(guān)系.李新平等[24-26]通過(guò)室內(nèi)物理試驗(yàn)并結(jié)合BB模型，對(duì)地應(yīng)力條件下應(yīng)力波在單條及多條節(jié)理巖體中的傳播進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)爆炸應(yīng)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(yīng)力與應(yīng)力波傳播方向垂直時(shí)應(yīng)力波衰減明顯.Fan等[6]假定節(jié)理變形滿(mǎn)足BB模型，分析了地震波在地應(yīng)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(yīng)力的影響.Li等[11]研究了壓縮應(yīng)力波傳過(guò)單條和多條平行節(jié)理閉合—張開(kāi)的動(dòng)力特性，顯示地應(yīng)力不僅影響節(jié)理的透、反射波，而且還影響節(jié)理的動(dòng)力響應(yīng).謝和平等[27]提出應(yīng)建立深地實(shí)驗(yàn)室探索深地原位節(jié)理巖體應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律，研究深地動(dòng)力學(xué)基本理論及地震孕育演化發(fā)生的機(jī)理及規(guī)律.

目前，在不同地應(yīng)力條件下，應(yīng)力波的傳播衰減研究方面存在著系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性薄弱的問(wèn)題，需要針對(duì)應(yīng)力波在不同地應(yīng)力條件下的衰減規(guī)律開(kāi)展更為深入的研究.本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)由多個(gè)水泥砂漿試件組成的可模擬節(jié)理分布和施加地應(yīng)力荷載的組合模型試驗(yàn)，提出了用ZDF-3 (ZhiliuDian Fire-3) 型電火花激震的方法激發(fā)應(yīng)力波，分析了應(yīng)力波在地應(yīng)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(jié)果.

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)可模擬節(jié)理分布和施加地應(yīng)力荷載的組合模型，如圖1所示.該組合模型由1個(gè)母體和4個(gè)節(jié)理塊體組成，從左至右編號(hào)為①～⑤，從而產(chǎn)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(cè)，其余3條平行節(jié)理位于母體右側(cè).由于試驗(yàn)條件所限，模型中只設(shè)置了3條平行節(jié)理.與入射波波長(zhǎng)相比，這里的節(jié)理光滑且不考慮厚度.母體的長(zhǎng)×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(yīng)力的兩種載荷沿長(zhǎng)度方向施加，另外兩個(gè)方向自由. 從左到右依次排列在模型中布置8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，設(shè)置編號(hào)為測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)T2～T5分布在母體中，距離炮孔均為25 cm；測(cè)點(diǎn)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(fù)試驗(yàn)，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(yīng)力波在地應(yīng)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(huì)同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力波和爆生氣體，其頻譜寬、能量大、可控性差以及危險(xiǎn)性高，且應(yīng)力波和爆生氣體同時(shí)存在、難以分離.為了研究應(yīng)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(shè)備是通過(guò)超高的電壓，在水介質(zhì)中瞬間釋放能量，從而產(chǎn)生應(yīng)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(diǎn)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(dòng)衰減時(shí)間基本保持在0.015 s～0.04 s之間，衰減時(shí)間較短.

1.3 超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀

巖石在爆炸載荷作用下，爆炸作用力以應(yīng)變波的形式在巖石中傳播.因此，本測(cè)試將超動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測(cè)量作為應(yīng)力波傳播的最基本量測(cè)參數(shù).由于超動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)對(duì)采樣率要求非常高，電阻應(yīng)變法是目前巖石沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中最常用的測(cè)量超動(dòng)態(tài)應(yīng)變的方法，本試驗(yàn)選擇西南科技大學(xué)爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的DH5939型超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該設(shè)備的最高采樣率為10 MHz，共8個(gè)采樣通道.

1.4 模型組裝

模型試驗(yàn)主要模擬不同地應(yīng)力條件下應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播，因此，模型材料配合比無(wú)須嚴(yán)格按照特定相似比來(lái)確定.本次試驗(yàn)將參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)對(duì)M30的砂漿進(jìn)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(xué)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(qiáng)度為28.0 MPa，彈性模量為2.65 GPa，均滿(mǎn)足后續(xù)測(cè)試的強(qiáng)度要求.

圖3 安裝加載裝置后的水泥砂漿組合模型圖

地應(yīng)力施加是通過(guò)在模型兩端安裝長(zhǎng)方體形狀的自制反力架來(lái)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(yù)制孔2個(gè)，兩邊各通過(guò)3根7絲(每絲直徑為5 mm)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，鋼絞線長(zhǎng)為3 m，共6束，每束直徑為15 mm.準(zhǔn)備2個(gè)100 t穿心千斤頂，千斤頂最大行程為20 cm，能滿(mǎn)足所需要的加載條件.

1.5 試驗(yàn)過(guò)程

在靜態(tài)階段，通過(guò)加載設(shè)備將相同大小的均勻載荷沿模型的長(zhǎng)度方向進(jìn)行加載.本試驗(yàn)考慮了6個(gè)不同地應(yīng)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(gè)地應(yīng)力加載時(shí)間應(yīng)穩(wěn)定10 min以上，使模型節(jié)理在地應(yīng)力作用下被壓密.

在動(dòng)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(dòng)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(guò)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)程曲線，完成一次數(shù)據(jù)采集.在2 500 V電壓下，每個(gè)地應(yīng)力水平下激發(fā)3次，總共得到18組動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù).電火花在2 500 V充電時(shí)的發(fā)射能量按照文獻(xiàn)[28]中的公式計(jì)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(chǔ)的電壓,/v.最大激發(fā)能量可達(dá)/10 000J，電火花激發(fā)能可調(diào)可控，波動(dòng)較小.

2 測(cè)試結(jié)果分析

試驗(yàn)首先分析了電壓分別為2 500V、3 000V、3 500V時(shí)的電火花發(fā)射能量，3種電壓所產(chǎn)生的應(yīng)力波強(qiáng)度小于砂漿試塊的擾拉強(qiáng)度，砂漿試塊未產(chǎn)生破壞，同時(shí)確保試驗(yàn)過(guò)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(diǎn)火花不同電壓下的平均發(fā)射能量

通過(guò)調(diào)試，本試驗(yàn)主要分析了電壓為2 500 V時(shí)單條節(jié)理測(cè)點(diǎn)T1和多條節(jié)理測(cè)點(diǎn)T8的動(dòng)應(yīng)變和透射系數(shù).

2.1 單條節(jié)理時(shí)的動(dòng)應(yīng)變

經(jīng)ZDF-3電火花激震后，采集測(cè)點(diǎn)T1到應(yīng)力波傳過(guò)單條節(jié)理時(shí)的應(yīng)變波如圖5所示，圖中負(fù)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(yīng)力作用下，透射應(yīng)變波均是先出現(xiàn)壓縮波，緊接著出現(xiàn)反射拉伸波.② 當(dāng)?shù)貞?yīng)力從0.5 MPa增加到5.0 MPa，透射應(yīng)變波的峰值逐漸減小，如圖5(a)所示.地應(yīng)力越大，應(yīng)力波引起的巖體動(dòng)態(tài)變形越小，說(shuō)明激發(fā)能量相同時(shí)，初始地應(yīng)力與電火花產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加，地應(yīng)力對(duì)波傳播有一定的抑制作用.③ 透射應(yīng)變波峰值出現(xiàn)的時(shí)間間隔隨地應(yīng)力增加而縮短.④ 根據(jù)文獻(xiàn)[19]提出的有效波速的定義，可求得測(cè)點(diǎn)T1透射波有效波速隨地應(yīng)力的變化如圖5(b)所示，表示隨著地應(yīng)力的增加，有效波速逐漸增加.

圖5 單條節(jié)理測(cè)點(diǎn)T1透射應(yīng)變波隨地應(yīng)力的變化

2.2 多條節(jié)理時(shí)的動(dòng)應(yīng)變

應(yīng)力波傳過(guò)3條節(jié)理后,測(cè)點(diǎn)T8的變化情況如圖6所示.從圖6中可以看出：①當(dāng)?shù)貞?yīng)力從0.5 MPa逐漸增加到5.0 MPa時(shí)，透射應(yīng)變波的峰值從2.46E4 με減小到1.2E4 με，即透射波峰值隨地應(yīng)力的增加而減小，這與單條節(jié)理時(shí)的結(jié)論類(lèi)似.透射應(yīng)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(yīng)變波衰減規(guī)律與單條節(jié)理時(shí)波形相似，即在第1個(gè)峰值之后還有后續(xù)的波峰，但是3條節(jié)理的動(dòng)應(yīng)變明顯小于單條節(jié)理時(shí)的情況，如圖6(b)所示，原因是節(jié)理數(shù)量和應(yīng)力波傳播距離分別增加.

圖6 多條節(jié)理8號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變波隨地應(yīng)力的變化對(duì)比

2.3 透射系數(shù)

透射系數(shù)等于透射動(dòng)應(yīng)變峰值與入射應(yīng)變波峰值之比.以測(cè)點(diǎn)3的應(yīng)變波作為入射波，不同地應(yīng)力下測(cè)點(diǎn)T1和測(cè)點(diǎn)T8的透射系數(shù)如圖7所示.

從圖7中可得出，隨著地應(yīng)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(dāng)?shù)貞?yīng)力從0.5 MPa增加到2 MPa時(shí)，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(yīng)力增加時(shí)模型材料內(nèi)部實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生了塑性變形，因模型材料導(dǎo)致應(yīng)力波傳播衰減部分大于由于地應(yīng)力增加節(jié)理剛度增加的部分，二者共同作用導(dǎo)致透射系數(shù)減小，這與李新平等[25]所得結(jié)論基本一致.觀察到測(cè)點(diǎn)T8的透射系數(shù)明顯小于測(cè)點(diǎn)T1的透射系數(shù)，表明節(jié)理數(shù)量和傳播距離對(duì)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(duì)比

3 結(jié) 論

通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了不同地應(yīng)力荷載條件下，應(yīng)力波傳過(guò)單條節(jié)理及多條節(jié)理時(shí)的衰減規(guī)律.提出用ZDF-3型電火花震源激發(fā)應(yīng)力波，重點(diǎn)分析了2 500 V電壓下應(yīng)力波的傳播特征.主要得出以下結(jié)論：

1)不論單條節(jié)理還是多條節(jié)理，當(dāng)?shù)貞?yīng)力從0.5 MPa增加到5.0 MPa時(shí)，透射應(yīng)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(dāng)單條節(jié)理時(shí)，隨地應(yīng)力的增加，透射應(yīng)變波峰值減小，表明地應(yīng)力對(duì)應(yīng)力波傳播有一定的抑制作用；當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時(shí)，模型材料對(duì)應(yīng)力波的能量有一定的吸收和耗散作用，使得應(yīng)力波衰減.

3)當(dāng)多條節(jié)理時(shí)，隨著地應(yīng)力的增加，透射應(yīng)變波衰減規(guī)律與單條節(jié)理時(shí)的波形相似，但多條節(jié)理的動(dòng)應(yīng)變和透射系數(shù)明顯小于單條節(jié)理時(shí)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(jié)論對(duì)于以一個(gè)方向的地應(yīng)力為主的節(jié)理巖體是適用的，對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力波傳播衰減還有待進(jìn)一步的研究.