岩石动力性状研究概述

岩石动力性状研究概述

张智杰

 重庆交通大学 河海学院，重庆  400074

摘要：岩石动力性状是动力作用下岩石的力学特性，如研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩石的力学特性、应力波在岩石内的传播规律、地面振动与损害等。岩石动力性状的研究对研究岩石的力学特性有着很大程度上的帮助。也是岩石力学这一学科研究的重要依据。

关  键  词：岩石力学；爆炸；地震；动力特性；

0  引言

岩石力学是一门交叉性很强的学科，其需要运用到土力学、地质学、流体力学等学科的知识，旨在研究岩石自身及岩石在外界因素的作用下应力应变、破坏稳定及加固，它属于力学的一个分支。岩石是一种非均质、各向异性、非连续、而且内部存在应力的复合地质结构。在结构内部又包括许多力学性质不同的岩石单元，而每个单元本身也往往是非均质、各向异性和非连续的。由此可见，岩石的力学性质远较其他材料复杂。

岩石力学的研究主要从以下五个方面进行：岩石应力、岩石强度、岩石变形、岩石渗流以及岩石动力性状，本文主要就岩石动力性状（地震、爆炸等动力作用下的岩石力学特性）结合学者们的研究做出一些讨论。

1 地震

地震会对岩石产生不同程度的影响，剧烈的地震会使岩石破碎、坍塌，如若还伴随有火山喷发，则会使演示发生一些列化学变化，岩石的一些结晶方式也会发生改变；较轻微的地震则会使岩石出现裂缝和裂纹。

为研究地震作用对岩石力学方面的影响，崔珍、钱生等[[1]]利用实验试验和经验公式研究了考虑地震效应的岩石力学性能的问题,采用专门设计的统计和频率计算方法确定了地震能量的最集中频带。此外，还进行了循环装卸试验，研究了地震效应的应变率范围；根据所得到的地震应变率范围进行了动态三轴压缩试验。对岩体的力学性能进行了经验估计,得出估算后的BHT岩体力学性质。

地震岩石物理特征变化规律研究对地震勘探具有指示意义。为对其进行研究，王向荣、李潮流等[[2]]通过对样品孔隙结构分析与表征，讨论样品孔隙结构特征对其物性特征以及地震波速度等动态弹性性质的控制作用。最后得出结论：致密碳酸盐岩样品速度与密度、孔隙度之间不存在明确的统计关系模型，速度等地震弹性特征差异并不受控于孔隙度值，而决定于样品的孔隙结构；马正乾、向伟等[[3]]从地震波诱导孔-缝流体的3种不同状态出发，总结了6种典型的等效各向异性岩石物理理论及其扩展，发现裂缝密度、流体类型及孔-缝连通性对地震方位反射特征影响较大；高荣锦[[4]]针对常规叠后反演无法准确预测储层中流体的问题,采用叠前AVO流体预测方法,分析清水洼陷致密砂岩中的岩石物理特征及AVO响应特征,开展叠前流体因子反演研究。通过岩石物理实验测定致密砂岩的弹性模量及砂岩饱和不同性质流体时的纵横波速度关系,开展流体替代及叠前AVO分析，并通过分析得到的特征有效地提高了该区致密砂岩油气预测的准确性,为该区油气水关系的准确预测奠定基础。 

目前，对于地震作用下的岩石动力性状研究主要集中在地震力对岩石物理特性的改变，随着研究的深入，有望在地震对岩石的其他特性改变方面展开广泛研究。

2  爆破冲击

对于深部岩体开挖处理来说，钻孔爆破仍是目前最为主要的手段，肖思友等[[5]]的研究表明：在高地应力硬岩的爆破过程中，岩石中初始应力场和爆破荷载积累的弹性应变能将在爆腔自由面释放，且裂隙区半径越大卸载释放的能量越多。爆破时，在爆炸应力波和爆生气体共同作用下，紧邻炮孔壁粉碎区内的岩体主要发生压剪破坏，而更大范围的破碎区内岩体主要发生张拉破坏；杨建华、吴泽南等[[6]]采用SPH-FEM耦合数值模拟方法，研究不同地应力条件下的岩石爆破开裂过程，分析地应力作用下爆破开裂区形态的改变对爆炸地震波能量及传播特性的影响，为深部岩体爆破优化设计提供理论依据参考；基于岩爆表现出的明显迟滞性，朱万成、刘雷雷等[[7]]对岩石蠕变-冲击力学行为进行了研究，阐述了岩石蠕变-冲击力学特性研究的工程背景及意义,重点介绍了蠕变加载条件下岩石的力学特性、岩石蠕变-冲击试验研究的现状,并综述了蠕变-冲击载荷下岩石力学行为的研究进展。为未来岩石蠕变-冲击力学性能研究指出了方向。 

3  应力波

不同炸药爆炸破碎岩石会形成不同的破碎效果，而不同种类、不同配比炸药、不同装药方案会产生不同的爆炸应力波形，也必然会对岩石裂纹扩展行为产生不同的影响。 部分学者研究了应力波波形对裂纹扩展过程的影响，如 Cho 和 Kaneko [[8]]基于不同上升时间的等峰值应力波作用模拟发现高加载速率会增加径向裂纹的数量，低加载速率会使裂纹扩展更长；钟波波等[[9]]通过单孔爆炸模型模拟发现加载速率减小时，炮孔周围的破碎区逐渐减少，裂纹扩展长度逐渐增大。上述研究忽略了应力波波形涉及到应力波峰值、能量、上升/下降速率、上升/下降时间等多个物理力学参数的关联影响；李永琪、梁正召等[[10]]运用 RFPA3D 动力分析软件模拟了冲击动力作用下含预制裂纹岩石的裂纹扩展过程，探究了应力波峰值、能量、上升及下降速率对岩石裂纹扩展过程的影响。

在应力波分形分析方法这一领域，金解放、钟依禄等[[11]]基于岩石应力波传播试验数据,研究无轴向静应力下的岩石应力波波形分形分析方法。得出结论：应力波的盒维数可以反映岩石应力波波形的复杂程度,关联维数仅能体现应力波在最小尺度的相似；郑卫东、吴均等[[12]]利用导电性测试、显微照相、爆轰性能测试等手段,研究在不同岩石结构中、距爆炸源不同距离时受到爆炸应力波作用后的乳化炸药的微观结构的变化情况，并通过实验证明了应力波对乳化炸药的有效影响距离，大大提高了工程的效率。

从上述研究可知，对于应力波的研究已广泛应用于各种地质爆破中，通过对应力波进行深入研究，国内外学者已提出了多种理论并进行实践，有效地保证了工程的安全性，保障了生命财产安全。

4  结语

学者们通过对地震、 爆破冲击、应力波等方面对岩石造成的影响进行分析，做了诸多的研究，对岩石动力性状有了越来越深入的了解，这对我国地基建设、 道路边坡均有积极的意义，通过对岩石的深入了解，大大增加了施工过程中的安全性。

参考文献：

[1]    Zhen Cui, Qian Sheng,Xianlun Leng, ZeqiZhu, YonghuiZhang.Estimation of the Mechanical Properties of Igneous Rocksin

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[2]  王向荣,李潮流,邓继新,潘建国,李闯,张尔华,鞠林波.塔里木盆地鹰 山组致密碳酸盐岩地震岩石物理特征[J].  大庆石油地质与开

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[3]  印兴耀,马正乾,向伟,宗兆云.地震岩石物理驱动的裂缝预测技术研究现状与进展( Ⅰ ) — — 裂缝储层岩石物理理论 [J]. 石油物探,2022,61(02):183-204.

[4]  高荣锦.清水洼陷致密砂岩地震岩石物理特征及优势储层预测[J]. 特种油气藏,2021,28(05):53-59.

[5]   肖思友，姜元俊，刘志祥，等．高地应力下硬岩爆破破岩特性及能 量分布研究[J]振动与冲击，2018 ，37 ( 15 ) : 143- 149.

[6]    杨建华,吴泽南,姚池,蒋水华,姜清辉.地应力对岩石爆破开裂及爆地 震波的影响研究[J].振动与冲击,2020,39(13):64-70+90.

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[8] Cho S H, Kaneko K. Influence of the applied pressure waveform on he dynamic fracture processes in rock. IntJ Rock MechMin Sci,

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[9]  钟波波，李宏，张永彬．爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟[J] ．爆炸与冲击,2016,36(6) 825.

[10]  李永祺,梁正召,钱希坤,刘红波.应力波形对岩石爆生裂纹扩展机制影响的数值模拟[J/OL].工程科学学报:1-13[2022-05-17].

[11]  金解放,钟依禄,余雄,徐虹.岩石应力波分形分析方法的研究[J]. 有色金属科学与工程,2021,12(03):85-91.

[12]  郑卫东,吴均,潘伟纲,吴丽君,毛香琴.岩石结构中的爆炸应力波对 乳化炸药性能的影响[J].爆破器材,2020,49(05):24-28.