平面P波在含结构面黏弹性岩体中的传播

应力波在节理、软弱夹层等不连续结构面中的传播是岩石动力学的一个重要研究方向。岩石介质对应力波的传播有一定的衰减和时间延迟,往往表现为黏弹性。本文假定岩体为Kelvin体,通过引入应力波的品质因子Q_p和Q_s,建立平面应力波在黏弹性体中的传播方程。对平面P波与线弹性结构面的作用关系进行分析,并基于频域范围内P波经过结构面后的透反射系数的解,分析平面应力波在含一线弹性结构面的黏弹性岩体中的传播规律,求得到达监测面上任意一点处的透射P、S波的速度表达式。运用波的叠加原理,建立平面P波经过黏弹性结构面岩体后的法向和切向透射系数。参数研究表明,应力波在黏弹性体中传播时会产生明显的衰减和时间延迟,结构面特性及入射波频率等对透射系数均有一定影响。     

单孔“一发双收”超声波检测原理及其应用

超声波检测是弹性波测试方法中的一种,其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上,该方法是以人工激发振源的方法向介质（岩石,岩体,混凝土构筑物）发射超声波,在一定的空间距离上接收介质物理特性调制的超声波,通过观测和分析超声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数,解决岩土工程中的有关问题.     

柱面波在节理岩体中的传播特性

 柱面波在节理岩体中传播规律的分析对于岩石工程特别是采矿工程和地下工程具有重要的研究意义。基于波阵面的动量守恒和节理的位移不连续理论,首先对入射柱面P波与线弹性节理之间的相互作用关系进行定量分析,推导应力波通过单节理的传播方程。根据应力波的几何扩散性,进一步分析柱面波的能量衰减。当波阵面相对节理面垂直和倾斜2种情况时,分别计算出相应的透射和反射系数,并将计算结果和波阵面为平面的情况进行对比,结果吻合较好。最后开展参数研究,分析节理不同位置处的透射波及波源节理距离和节理的刚度对柱面P波在节理岩体中传播影响的规律。     

二维应力场作用下岩体弹性波速与衰减特性研究

基于岩体在二维应力场作用下的节理变形分析,运用节理变形对岩体中节理体积率的改变,建立节理对岩体中弹性波传播影响的等效模型,从而推导节理岩体在应力场作用下的弹性波传播速度和衰减随应力的变化关系。为检验理论公式的可靠性,对2组含裂缝的石膏模型进行弹性波测试,试验测试结果表明,理论计算结果与试验结果具有较好的一致性。     

基于波场等效的节理面刚度参数取值研究

节理岩体中的节理面往往有一定厚度,如果采用无厚度的线性节理模型分析,其刚度参数的确定非常困难。通过分析弹性波穿过节理面时的波场效应,建立了基于节理后振动强度相等的波场等效法,用于确定带厚度节理的刚度参数,并分析了各因素对弹性波在节理上传播的影响。结果表明:线性节理面的刚度参数是节理岩体的固有属性,与外界荷载无关,采用波场等效法计算刚度参数可行;在弹性波范围内,这种等效参数与入射波频率、入射角等因素关系不大。该方法可用于有厚度节理面动强度参数的确定与分析,完善现有的节理面刚度取值方法。     

反射波等时圆在岩体节理反演中的应用

节理对岩体工程有重要的影响,采用应力波反演节理产状有重要的工程意义。从振源点发出的应力波经节理面反射后返回地面,利用解析几何理论,根据点、线、面的相互关系,经过严密推导,得出该反射波走时公式,该公式建立了节理真倾向、真倾角值与地面测点走时的直接关系,描述出的地面反射波等时圆概念清晰、明确。实测时,绕发射点环形布置测点,利用MATLAB平台上编写的程序,搜寻出等时圆圆心后,再结合任一测点走时即可反演节理产状。     

露天矿边坡岩体稳定性各向异性分析方法及工程应用

露天矿边坡岩体通常含有大量IV、V级结构面,影响岩体稳定性。针对这种岩体特性,提出了系统的工程分析方法：首先,应用3GSM非接触测量系统对岩体出露结构面现场测试,统计结构面几何参数概率模型;进一步根据Monte Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论,在分析REV尺寸效应基础上,计算岩体渗透张量和弹性张量,实现岩体参数表征;最后,基于等效连续介质模型,建立各向异性岩体渗流应力耦合模型,采用COMSOL有限元软件分析边坡岩体稳定性。应用该方法对抚顺西露天矿南帮进行了实例分析,计算结果与实际吻合较好。提出的露天矿边坡岩体稳定性分析方法能够考虑节理分布导致的岩体各向异性特征,简单合理,具有良好的工程应用前景。     

刀具动态作用下节理岩体破坏过程的数值模拟

基于细观损伤力学和动力有限元方法,模拟分析了节理岩体在刀具动态荷载作用下的损伤破裂过程,探讨了节理间距和节理角度的影响。在动力分析模型中,通过考虑黏弹性边界以排除边界应力波反射的影响,提高了计算精度。数值模拟结果表明,节理的存在改变了岩体中应力波的传播模式。一方面,节理面反射的拉伸应力波加剧了节理与刀具间岩体的碎裂;另一方面,软弱节理面破坏吸收了应力波能量,阻碍了应力波向下的传播,减弱了下部岩体的破坏程度。模拟结果还表明,节理间距越小,岩体破坏程度更加明显。倾斜节理的存在使刀具下部的裂纹出现不对称性扩展特征,影响了主裂纹向下扩展的能力,限制了其伸展的空间。节理岩体在刀具动态作用下的破坏过程研究还很少见到,研究结果对于节理岩体动态破坏的机理以及地下工程开挖等实际应用,具有一定的参考价值。     

各向异性岩体弹性矩阵系数反演分析与应用

国内外尚未见各向异性岩体弹性矩阵21个系数反演分析的研究成果。采用"横波可控震源激振VSP三维三分量数据采集"岩体原位测试技术,设计矿山岩体精细勘探WalkawayVSP观测系统,利用基于各向异性介质Christoffel方程解的qP波及q S波慢度矢量、偏振矢量计算公式,以原位采集的直达qP波及qS波的波场参数(慢度矢量、偏振矢量)为输入条件,纵横波联合反演出完全各向异性条件下岩体介质弹性矩阵的21个系数。利用弹性矩阵系数,识别出覆岩"三带"各向异性为HTI介质属性,计算出不同深度岩体的各向异性参数及工程力学参数,对比分析覆岩"三带"与各向异性参数、工程力学参数之间的关系。研究成果使岩体力学及勘探地震学正演计算不再依赖目标介质各向异性类型,开辟岩体工程力学特性研究的新方向。     

岩体中弹性波传播尺度效应的初步分析

含缺陷岩体具有尺度效应,此类岩体中传播的弹性波也有尺度效应。对现场测点 EC37-201-06 ,在 3.0 ´ 3.2 m² 的范围内采用动态有限元方法进行了 15 种尺度的弹性波传播规律的分析研究。对现场测点 EC37-101-06 ,在 1.2 ´ 1.2 m² 的范围内采用准静态有限元方法进行了 60 种尺度的弹性波波速与围压及计算尺度的关系的计算分析。前者采用了射线理论分析思想,而后者采用等效介质分析思想,得到了相应的弹性波的尺度效应,但二者规律有差异。为建立二者间的联系,也为了工程应用,基于量纲理论分析方法,给出了一个半理论的波速与入射波频率的计算公式。与现场声波和地震波测试结果,以及考虑随机分布单节理散射模型的计算结果进行比较,初步分析结果表明,此公式基本可行。     

考虑深部岩体各向异性强度的井壁稳定分析

目前在工程设计中,仍粗略地将节理岩体近似为各向同性体,在考虑节理对岩体强度的弱化作用时,均根据节理连通率对完整岩石的抗剪强度参数进行折减,因而未能反映岩体的各向异性特性。这对于浅部岩体工程来讲,也许是可以接受的,但随着建井深度的增加,进入深部状态的岩体表现出更强的各向异性特征,岩体的各向异性将不能忽略。将节理各向异性几何分布特征对岩体力学性能的影响通过微面的节理连通率来反映,从莫尔–库仑抗剪条件出发,采用方向分布函数分析方法,曾提出了一个基于二阶连通率组构张量的节理岩体各向异性强度准则。简要论述该各向异性强度准则,根据该准则研究了井筒的弹性稳定问题。研究表明:考虑岩体的各向异性强度对井筒进行钻井灌浆分析时,在给定的泥浆压力下,沿最大地应力方向钻井的安全系数并不一定比沿其他方向钻井的安全系数高。     

节理岩体的等效连续模型与工程应用

本文将工程范围的规则节理岩体看作是由各向同性的岩石单元与等效各向异性的节理岩石单元构成的统一体,在深入分析节理岩石单元的变形与强度特性的基础上,详细推导了等效变形与等效强度的基本公式,提出了一种等效连续模型。通过非线性有限元数值分析,完成了节理岩体力学特性的模拟。利用前人的物理模型试验验证了该模型的有效性。上述数值模型运用于某一典型的工程节理岩体的强度预测,其结果是令人满意的。     

柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究

针对几何形状特殊且为镶嵌结构的柱状节理岩体,为认识其各向异性力学特点和开挖卸荷下的破坏模式,首先在柱状节理玄武岩截面几何特征的现场调查统计和3类结构面的扫描电镜(SEM)分析基础上阐述柱状节理岩体在结构上的横观各向同性特点,然后通过垂直其柱体轴线方向和平行其柱体轴线方向的柱状节理岩体原位声波测试揭示柱状节理玄武岩的变形各向异性,进而通过不同取样方向岩芯的单轴压缩试验和现场岩块的点荷载试验阐明其强度各向异性特点,最后结合上述所获得的柱状节理玄武岩各向异性认识分析其开挖卸荷下的“结构–应力”控制型破坏模式及其结构劣化的具体表现形式,所得认识和结论对柱状节理岩体地层中地下洞室稳定性分析和支护设计具有参考意义。     

基于Cosserat理论的柱状节理岩体本构模型

柱状节理岩体复杂的各向异性对相关工程设计及施工提出了挑战,准确掌握其各向异性力学参数对降低工程风险十分重要。基于Cosserat理论和Goodman当量叠加原理,首先建立了四棱柱、五棱柱、六棱柱柱状节理岩体二维本构模型。通过引入应力集中系数,将本构关系扩展至三维空间。针对白鹤滩水电站柱状节理岩体,采用3种模型分别计算了工程常数取值,并分析了3种模型计算结果与工程经验取值差异,比较了3种模型各向异性特征。结果表明,3种模型计算值与经验公式估算结果及现场原位承压板试验结果相近,四棱柱、五棱柱、六棱柱柱状节理岩体模型的弹性参数变化曲线分别反映出各模型正交各向异性、准横观各向同性、横观各向同性的各向异性特征。     

基于二阶损伤张量的节理岩体各向异性屈服准则

 为了在节理岩体的本构关系中反映岩体几何特征的影响，采用一个二阶损伤张量，将岩体各方向截面的连通率表示为其截面法向的连续函数。根据连通率将完整岩体与完全裂隙的内摩擦系数与粘聚力加权平均得到节理岩体的各向异性抗剪材料参数，从岩体的面抗剪强度准则(莫尔–库仑条件)出发，建立了各向异性节理岩体的抗 剪屈服准则隐式表达式。在主应力轴空间内，将损伤张量分解为各向同性部分和偏量部分，以损伤张量为各向同性时的临界屈服面单位法向量和显式屈服准则的解为基础，导出了一般情况下具有一阶精度的临界屈服面单位法向量的解，相应的显式各向异性屈服准则表达式为主应力的二次式，其系数是损伤张量的函数。研究了二阶损伤张量的6个独立参量：3个主值及其主轴与主应力轴的Euler角对岩体屈服各向异性的影响。针对6个参量取值的几种代表性情况，分别采用隐式屈服准则和具有一阶精度的显式屈服准则计算出屈服应力，绘出了偏平面和子午面内岩体屈服曲线的形状。研究表明，提出的节理岩体各向异性显式屈服准则具有很高的精度。     

三维块体离散元可变形计算方法研究

 在三维刚性块体离散元的基础上,研究可变形块体离散元方法,并编制相应的可变形块体离散元程序。该方法把块体单元看作弹性体,并对其划分有限元网格,对每个可变形单元的计算是假设在力边界条件下求解可变形单元的节点位移;可变形块体之间力和位移的传递是通过构筑的节理单元实现的,节理单元反应岩土工程中实际节理的变形性质和强度特征,结构面破坏前,体现了连续介质计算方法的特点,结构面如果发生破坏,预设节理处的节理单元直接转变化为法向和切向弹簧,体现了离散元计算方法的特点。另外,节理单元有实际的厚度,可以根据实际节理的性质确定计算参数,这一点也体现出了对刚性块体离散元方法的改进。与刚性块体离散元方法比较,该方法可以反映岩体变形性质,如泊松效应、三维岩体中的真实波速,它还可以模拟结构面的破坏演化过程;与有限元方法比较,它可以更好地描述岩体中节理的特征,允许单元有较大的位移;相对于以前的可变性离散元方法,它既克服了有限差分格式带来计算上的复杂,又建立在三维模型的基础上,为有关岩土工程的数值分析提供了一个可行的数值方法。     

Determination of dynamic elastic constants of transversely isotropic rocks using a single cylindrical specimen

A new experimental procedure and its associated interpretation theories are proposed to determine the five dynamic elastic constants of a transversely isotropic rock. Using Christoffel's equations, the elastic constants can be uniquely determined based on ultrasonic wave velocity measurements on a single cylindrical specimen. The new method requires that the orientation of planes of elastic symmetry be parallel to its longitudinal axis. The wave velocity measuring devices (i.e. transducers) can be mounted on the sires or ends of the specimen. The new method has been implemented in the laboratory on a transversely isotropic rock, argillite. Wave velocity measurements were taken on specimens with and without a tensile load applied at the ends. Consistent results were obtained in both cases. This paper describes details of the analytical background and the proposed experimental procedure. Available test results are presented to demonstrate the efficacy of the new method.     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

节理岩体表征单元体尺寸确定的数值模拟

从节理岩体表征单元体的力学意义出发,在通过对某物理试验结果进行模拟以验证RFPA程序模拟节理岩体强度及破裂模式具有适用性的基础上,提出一种基于RFPA数值模拟确定节理岩体表征单元体的方法。该方法基于蒙特卡洛法生成二维节理裂隙网格,实现节理裂隙的表征,将其导入岩石破裂过程分析软件中,分析节理岩体弹性模量和单轴抗压、抗拉强度的尺寸效应和各向异性,并据此确定了节理岩体的表征单元体尺寸。最后,针对某采场围岩节理面统计参数,分析讨论节理岩体的尺寸效应和各向异性,通过综合分析确定了节理岩体的弹性模量、抗压强度和抗拉强度等参数,并得出其表征单元体的尺度为6 m×6 m,这为后续的岩石力学研究奠定基础。