岩土体动力学体系框架及若干问题的研究与应用
孙进忠
(中国地质大学工程技术学院 北京 100083)
SYSTEMATIC FRAME OF DYNAMICS OF ROCK AND SOIL MASS AND THE RESEARCH ON SOME APPLICATION PROBLEMS
Sun Jinzhong
(China University of Geosciences，Beijing 100083 China)
摘要 岩土体动力学是研究岩土体在动荷载作用下的动力学性质和表现的一门科学，涉及动荷载的类型及其作用特点、岩土体在动荷载作用下的力学性质和表现及其对工程的作用和影响、岩土体的动力加固和改造、岩土体物理力学参数的动力测试和探测等基本理论和应用问题。本文从科学发展史的角度研究了岩土体动力学的发展过程，通过数百篇文献的搜集和综述，从不同的侧面反映了岩土体动力学的研究历史和现状，勾画了岩土体动力学理论研究和工程应用的体系框架。迄今为止，人类的工程实践和科学研究已涉及了大量的岩土体动力学问题，这些研究和实践分散在各个领域中，构成岩土体动力学的丰富内容。根据各个领域中岩土体动力学研究和应用的情况，可以将岩土体动力学研究与应用归纳为三个方面：其一是岩土体动力反应的研究与应用；其二是岩土体动力特征的研究与应用；其三是岩土体动力测试。岩土体动力反应的研究与应用主要从岩土体对动力荷载的响应的角度研究岩土体的动力学性质和表现，根据岩土体距离动荷载作用点的远近，可分为近场和远场两类问题。在近场范围内，岩土体的动力反应表现出非弹性的特点，例如在爆破荷载作用下岩体的破碎和松动、在强夯作用下地基土体结构的破坏和夯击点周围土体的塑性变形。在远场范围内，主要涉及在岩土体的振动与波动问题，包括地震地面运动、爆破、强夯、交通车辆以及其他工业振源所引起的地面振动和衰减等。岩土体动力特性的研究与应用，注重在动力荷载作用下的岩土体动力变形、动力稳定性等问题的研究，诸如岩土体动力反应和动力稳定性分析问题、岩土体与结构的相互作用问题、岩土体的动力加固和改造等应用问题均属此范畴。岩土体动力特性研究的基础问题是动力荷载作用下岩土体的动力本构关系的研究。岩土体的本构关系与岩土体的类型、物理组构等物理动力特性在研究中占有举足轻重的地位。岩土体动力测试可以分为动力探测和动力试验两个方面。岩土体动力探测主要是利用在岩土体中传播的弹性波所携带的信息了解岩土体物理力学性质和状态，包括工程地震勘探、岩土体声波测试、工程材料的无损检测等。各类动力探测方法的物理基础是岩土体和工程材料的弹性差异。岩土体动力试验是指对于在动荷载作用下岩土体动力特性的试验测试，主要包括岩土体动应力-应变关系(动力本构关系)的试验测试、岩土体动力强度的试验测试、地基岩土体动力特性的原位测试等内容。岩土体力学的分析建立在数学和力学的理论基础之上，但是对于岩土体物理力学性质的认识却来源于对岩土体物理力学性质的测试和探测。因此，岩土体动力测试是岩土体动力学研究的基本手段和方法。岩土体动力反应的研究与应用、岩土体动力特性的研究与应用、岩土体动力测试这三个方面构成了岩土体动力学研究与应用的体系框架，既是对长期以来各个领域中有关岩土体动力学问题理论研究和工程应用的归纳总结，也是今后继续深入展开岩土体动力学研究和应用的方向和目标。在系统认识和阐述岩土体动力学体系框架的基础上，结合工程实际，本文对当前工程实践中岩土体动力学应用的几个热点问题进行了探讨研究。在地下工程爆破振动效应的研究中，分析了爆破源、传播介质以及场地条件和受振体等几个方面对地下工程爆破振动的影响，系统归纳了地下工程爆破振动的研究方法，提出超声模型试验、工程爆破振动监测和天然地震强震地面运动观测的地震动研究思路，并提供了可行性范例。结合青岛地铁工程地下爆破振动效应的监测分析，重点研究了倾斜断层对地震波传播的影响，验证了作者在超声地震模拟中发现的倾斜基岩断裂对地震地面运动频率成分影响的规律，即无论震源位于断层的哪一侧，在断层上盘，爆破振动低频成分相对较强，在断层下盘高频成分相对较强。这一实验规律的进一步确认对于工程抗震设计具有重要意义。在强夯振动效应的研究中，按照“震源作用—介质传递—测点振动”的基本物理模式和研究思路，首次提出了强夯振动震源体的概念，探讨了确定震源体边界的具体方法，为强夯振动的测量和分析奠定了基础。用统计分析和量纲分析的方法研究了强夯振动的衰减规律，发现强夯振动衰减指数与场地岩土体的性质密切相关，可表示为振动频率的三次多项式的形式，为强夯振动的频域分析以及利用强夯振动研究岩土体的性质奠定了基础。在研究中首次系统提出强夯振动频域分析的方法，建立了介质作用函数、介质作用谱以及强夯激励函数和强夯激励谱的概念和相应的测量分析方法，为利用强夯振动研究岩土体性质奠定了基础。面波探测技术近年来在工程中逐渐受到重视。本文系统阐述了瑞雷波频散特征的正演、实测瑞雷波频散特征的提取技术和解释方法。在实测瑞雷波相位分析中考虑了两个对比道记录波形瑞雷波时窗初值之间的相位差，改善了相速度提取的精度，这对于实测高频瑞雷波相速度的稳定性和可靠性尤为重要。在面波探测技术的工程应用研究中成功探索了不同尺度(特别是小尺度)工程介质体瑞雷波探测的可行性，通过不同工程检测项目的实践，摸索出了一套切实可行的瞬态瑞雷波探测方法，构成了由低频到高频的瑞雷波探测方法系列，为瑞雷波探测技术在更广泛领域中的应用提供了经验。岩土体动力学仍然是一门相当年轻的学科，这不仅仅是从形式上看至今还没有一本以岩土体动力学为名的学术著作问世，而且还在于对岩土体动力学性质的认识和研究程度还只是初步的。对于理论研究和工程应用而言，岩土体动力学领域中还有许多处女地有待开垦。随着国民经济建设的发展以及人类所面临的资源与环境问题的日趋严重，岩土体动力学所要研究的课题将更具多样性和综合性。这就要求岩土体动力学站在国家建设与发展的高度，系统研究人类工程活动中动力荷载的类型和特点，工程岩土体在这些动荷载作用下的动力反应特点以及这种动力反应的系统研究，完善工程岩土体动力学的理论和方法，促进多学科交叉渗透的岩土体力学学科体系的形成，以适应人类社会可持续发展的需要，已成为岩土体动力学研究的历史任务。
关键词 ：
岩土体动力学 ,
体系框架 ,
地下工程爆破振动效应 ,
强夯振动效应 ,
面波探测技术
引用本文:
孙进忠. 岩土体动力学体系框架及若干问题的研究与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(09): 1433-1434.
链接本文:
https://rockmech.whrsm.ac.cn/CN/Y2002/V21/I09/1433
2002, Vol. 21 
