第1章绪论
我国水电、交通等行业的岩体年爆破开挖总量巨大。此外，我国位于环太平洋地震带和欧亚大陆地震带之间，区域地震活跃。爆破开挖与地震会产生动荷载，动荷载通常以应力波的形式在岩体内传播。在岩体工程动态稳定性分析中，低估应力波作用会诱发滑坡、局部岩体崩塌等动力灾害，危及岩体工程的建设和运营安全。相反，高估应力波作用则会导致过度支护，造成资源的巨大浪费。因此，研究岩体内应力波传播特性对岩体工程动态稳定性分析具有重要意义。
1.1岩体内应力波传播特性试验
岩体是一种常见的天然地质材料，它主要由多种矿物晶粒[1， 2]、胶结物[3， 4]组成并含有大量多尺度不连续结构面，如细观裂隙[5-7]和宏观节理等[8]。当应力波在岩体内传播时，岩体内的细观裂隙会导致应力波发生幅值衰减[9， 10]和波形耗散[11， 12]，而岩体内的宏观节理则会导致应力波的透射[13]、反射[14]、弥散[15]和滞后[16]。研究岩体内应力波传播特性的试验主要有超声波试验、摆锤冲击试验和分离式摆锤冲击试验。
超声波试验是一种装置简易、操作便捷的试验方法，被应用于测量岩体内高频、超高频应力波波速。超声波试验装置主要包括发射探头、接收探头、数据存储器和示波器等，如图1.1所示。Tang等[17]通过超声波试验发现应力波的幅值和能量会随着传播距离的增加而减小。Wang等[18]采用离散傅里叶变换，分析了应力波在频域内的传播特性，发现高频谐波的衰减率远大于低频谐波的衰减率。此外，超声波试验被进一步应用于研究高温作用下岩体内应力波传播的波速、幅值和能量，发现应力波波速、幅值和能量会随着温度的增加而减小[19-23]。
摆锤冲击试验通常被应用于岩体内中低频应力波幅值衰减和能量耗散的研究[24-26]。摆锤冲击试验装置主要包括加载系统、数据采集系统、应力波传播系统等，如图1.2所示。在摆锤冲击试验过程中，可以通过调整摆角、摆长改变应力波的幅值和波长[27]。采用数据采集系统采集应力波信号，分析岩体内应
图1.1超声波试验装置
图1.2摆锤冲击试验装置
力波传播特性。Niu等[28]通过摆锤冲击试验研究应力波在岩体内传播时的衰减系数和波数，建立了等效黏弹性模型，成功预测了岩体内的应力波传播，揭示了岩体内应力波的衰减和耗散机理。为了进一步研究极端环境下岩体内的应力波传播特性，Cheng等[29， 30]引入应力加载系统改进了摆锤冲击试验装置，研究了地应力作用下深部岩体内应力波的幅值衰减和能量耗散特性。针对深部岩体高温环境无法直接测量岩体内应力波传播特性的难题，Yang等[31]结合高速摄像与数字图像相关技术，建立了非接触式应力波测试系统，实现了非接触测试岩体内的应力波，扩展了摆锤冲击试验的应用范围。
上述试验方法主要用于研究含细观裂隙岩体内应力波的传播。对于含宏观节理岩体内应力波的传播，通常采用分离式摆锤冲击试验方法[32-34]。分离式摆锤冲击试验装置主要包括加载系统、杆组件系统、测量系统以及数据采集系统等，如图1.3所示。该装置通过采集入射杆和透射杆中应力波信号来分析应力波在节理岩体内的透反射规律[35-37]。Li等[38]采用分离式摆锤冲击试验研究了非填充节理岩体内应力波的传播，分析了应力波通过非填充节理的透射系数和反射系数。在此基础上，Li等[13， 14]研究了非填充节理接触面积对应力波传播特性的影响。结果表明，应力波的透射系数随着节理接触面积的增加而线性增大。此外，分离式摆锤冲击试验也被应用于研究填充节理岩体内应力波传播特性。Li等[39]采用分离式摆锤冲击试验，研究了砂层节理的厚度和含水量对应力波透射特性的影响，揭示了应力波作用下砂层节理的应力-闭合关系。
图1.3分离式摆锤冲击试验装置
1.2岩体动态力学特性试验
分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar， SHPB)是研究中高应变率范围内岩石动态力学特性的常用装置，如图1.4所示。在SHPB试验中，改变撞击杆速度可以调整入射波幅值，改变撞击杆长度可以调整入射波波长。入射波沿入射杆向试样传播至杆-试样界面时会发生反射和透射。通过分析应变
图1.4SHPB试验装置
片电压信号得到岩石的动态应力-应变关系，进而研究岩石的动态强度、弹性模量等动态力学特性。
研究者通过SHPB试验研究了常温岩石的动态力学特性。Zhang等[40]利用SHPB试验装置进行了岩石动态冲击试验，发现岩石材料的动态力学特性与静态力学特性存在较大差异。Li等[41]改进了试验装置，发现采用适当的脉冲整形器，有助于岩石材料达到动态应力平衡并实现恒定应变率变形。刘军忠等[42]研究了加载率对岩石破坏应变的影响。结果表明，随着加载率的增加，岩石的破坏应变线性增加。Li等[43， 44]通过SHPB试验，研究了岩石的动态应力-应变关系。Gong等[45]通过SHPB试验，研究了动荷载作用下岩石的动态强度。结果表明，岩石的动态强度随着应变率的增加逐渐增大。Weng等[46]通过SHPB试验研究了应变率对岩石弹性模量的影响。结果表明，岩石的弹性模量随着应变率的增加而近似线性增加。动荷载作用下，岩石的力学性能表现出明显的加载率相关性。
研究者通过SHPB试验研究了岩石在动态冲击后的破碎特性和能量变化特性。谢和平等[47]分析了岩石破坏过程中的能量变化，指出岩石在外力作用下的破坏过程本质上是能量的耗散与释放。岩石的破碎程度与耗散能之间存在联系。You等[48]通过SHPB试验研究了不同冲击速度对岩石破碎特征的影响。结果表明，岩石的破碎特性指数随着冲击速度的增加而逐渐增大，岩石破碎断裂所需的能量随着冲击速度的增加而逐渐增大。另外，李夕兵等[49， 50]研究了不同加载波形对岩石能量耗散特征的影响。结果表明，矩形波加载下岩石的能量吸收值*大，破碎效果较好。宫凤强等[51]通过施加不同的轴压和围压，研究了动静组合作用下岩石的动态力学性能。结果表明，动态抗压强度受到轴压的显著影响，动态抗压强度随着轴压的增加逐渐降低。当围压为0MPa和5MPa时，岩石的抗压强度相差不明显，当围压增加到10MPa时，岩石的动态抗压强度会明显增大。
研究者通过SHPB试验研究了高温岩石的动态力学特性。Liu等[52]研究了应变率和温度对砂岩动态压缩力学特性的影响，发现高温岩石的动态抗压强度、峰值应变和能量吸收率没有明显的应变率效应。Fan等[53]通过SHPB试验研究了温度和加载率耦合作用对花岗岩动态力学特性的影响，发现当温度低于400℃时，动态能量吸收能力随着温度的增加而增加。当温度升高到800℃时，动态能量吸收能力会随着温度的增加而降低。当加载率较小时，花岗岩的热效应对能量吸收能力的影响更为明显。Wang等[54]采用改进的SHPB试验装置对花岗岩进行了动态压缩试验，研究了高温和应变率对花岗岩破坏模式的影响，发现随着应变率或入射能量的增加，高温岩石的破坏模式由轴向劈裂转变为粉碎。在相同的动荷载作用下，温度的升高会加剧岩石的破碎程度。Gao等[55]研究了热冲击次数对砂岩动态力学特性的影响，分析了多次热冲击下砂岩动态抗压强度和细观结构的变化特征。
第2章岩石超声波试验
当应力波通过岩石时，应力波的波速、幅值、能量和频谱等发生变化。在超声波试验中，应力波传播特性主要与岩石的结构特征(宏观节理、细观裂隙)等因素有关。而岩石结构特征是影响岩石物理和力学性质的重要因素。因此，超声波试验被应用于反映岩石的物理和力学性质。
2.1试验理论
超声波试验中*先将发射探头与接收探头直接接触，确定超声波从发射探头直接传播至接收探头所需的时间；然后将试样放置于发射探头和接收探头之间，测量超声波从发射探头经过试样传播至接收探头所需的时间。图2.1为P波从发射探头直接传播至接收探头的波形。图2.2为P波从发射探头经过试样传播至接收探头的波形。P波的波速为
(2.1)
式中，Cp为P波波速；L为试样长度；tp为P波从发射探头经过试样传播至接收探头所需的时间；tp0为P波从发射探头直接传播至接收探头所需的时间。
图2.1P波从发射探头直接传播至接收探头的波形
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