节理产状的应力波反射法反演研究

 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。根据解析几何理论严密推导出节理面反射波走时公式,该公式建立节理真倾向、真倾角值与测点走时的直接关系。通过复信号分析可得到信号的瞬时振幅、相位和频率,节理岩体模拟试验测得的信号分析表明,即使面波干扰严重,由瞬时频率还是能有效判断节理反射波初至时刻,得到不同测线上的测点走时,在MATLAB平台上编制程序,由这些测点走时搜寻出反射波等时圆圆心,最终能很好地反演出节理产状。     

JMC对应力波透射系数和节理比刚度影响的实验研究

 节理对岩体的动态力学特性有重要影响。采用改进型霍普金森花岗岩压杆(SHPB)实验设备,研究一维应力波在花岗岩人工节理处的传播规律,进而分析节理的动力学特性。通过切割工艺在花岗岩试样表面形成人工节理,使其具有不同的节理吻合系数(JMC)。采用两点式波分离方法处理实验数据,得到节理处的入射波,以及节理产生的反射波和透射波,进一步计算得到应力波传播通过节理的透射系数。基于SHPB实验的基本原理,得到节理的闭合量和作用在节理上的压力之间的关系,从而分析出节理的比刚度。该实验分析节理吻合系数对波传播的影响,进而研究节理吻合系数对花岗岩节理动态力学特性的影响。     

岩体节理在动荷作用下的有限元分析

本义用约束节理单元法模拟应力波在节理处的传递过程。推导了动态约束节理单元的有限单元方程和数值分析公式以及碰撞、放释条件，并针对奥地利某公路隧洞工程进行了爆炸应力波在节理岩体中传播的有限元分析。     

基于颗粒流程序的仿真节理岩体模型及其应用

为实现采矿巷道周边节理网络的仿真模拟以及节理岩体中巷道的稳定性分析,构建了包含颗粒流块体模型、原生节理网络和次生节理网络的仿真节理岩体模型。针对岩体内部次生节理产状和面积不可准确测量的难题,提出了卸荷作用下次生节理产状和面积的计算方法:根据开挖前后应力张量变化计算卸荷方向,利用Fisher分布函数生成围绕在卸荷方向附近的随机节理产状;监测卸荷前后颗粒中储存能量的变化,计算节理面积和半径。通过布置测线方式获得巷道中原生节理密度和产状信息,利用Monte-Carlo方法实现对原生节理的重建;利用次生节理计算方法实现次生节理网络的建立,从而建立仿真节理网络以及仿真节理岩体模型。计算结果显示:无节理模型中顶板和底板先破坏,以张拉破坏为主;而在仿真节理岩体模型中节理部位最先破坏,原生节理以剪切破坏为主,次生节理以张拉破坏为主,在高应力作用下巷道周边基本全部破坏,需整体支护且重点在左右两帮。该计算方法可为节理岩体中巷道的稳定性计算提供参考及建议。     

节理岩体物理模拟与超声波试验研究

以三维各向异性介质弹性波方程为理论基础，给出具有不同节理面岩体的数学物理模型，将具有典型节理构造的岩体分别简化为横向各向同性和单斜各向异性介质，并得出各向异性介质中的弹性波在遇节理面发生反射、透射后沿不同传播方向的传播速度。根据上述数学物理模型制备节理岩体物理模型，相对于节理面以不同的入射角度进行超声波波速测试，试验证明，超声波波速对于物理模型中节理面的影响十分敏感，节理面的存在使弹性波传播速度重新分布，在合理布置测点的情况下，对节理面的存在及方向识别较为准确。在实际工程中，通过合理布置测点的超声波测试，可以对工程岩体中节理裂隙发育的优势方向进行判断，有效地反映岩体结构面的各向异性，为实际工程提供数据资料。     

基于应力波频谱变化测试岩体节理的刚度

用线性变形节理描述宏观节理的变形特性,在节理的法线方向布置一条测线,测线上在节理两侧分别布置一个测点,用以记录入射侧和透射侧的波形,结合应力波垂直通过单一线性变形节理的透射系数和反射系数,利用透射侧波形的频谱,可以得到入射侧测点处波形的计算频谱,令入射侧波形的频谱与计算频谱相等,提出应力波垂直入射时基于频谱测试节理刚度的方法。通过FLAC3D模拟,验证刚度测试方法的合理性,并分析入射波的峰值频率、节理刚度和节理两侧岩石的弹性模量对测试误差的影响,结果发现,节理刚度越大,测试误差越小;弹性模量越大,测试误差越大;峰值频率对测试结果影响较小;不同工况下,均具有较高的计算精度。在德兴铜矿露天开采临时边坡面上选择一个两侧岩体相对完整、所在坡面比较平整的宏观节理,进行了9次试验,9次试验的测试结果相近,9次试验的法向刚度测试值的方差为0.72,切向刚度测试值的方差为0.56,说明节理刚度测试方法具有稳定性高的特点。     

应力波通过非线性平行节理的能量分析

 应力波在节理岩体中传播规律的研究是开展地下工程安全性分析的基础。着重研究纵波(P波)以任一角度入射一组非线性平行节理的能量传递规律,其中节理的法向模型采用双曲线型的BB模型,而节理的切向模型为线性模型。首先,基于应力波在时域内的递归分析方法,建立P波通过某一岩体的应力波传播方程,其中该岩体中存在一组非线性平行节理;其次,通过计算应力波通过该岩体前后的透反射能量,分析应力波能量大小的改变;最后,引入透射能量系数与反射能量系数,对影响能量传递的因素开展参数分析,即研究节理的初始刚度、间距、数量以及应力波幅值、频率和入射角度等因素对P波能量传递规律的影响。研究表明,应力波在节理处的能量传递规律不仅与节理的力学特性有关,而且也和节理的空间分布相关,且当应力波的物理特性如频率和波幅发生改变时,能量传递规律会出现不同的变化。     

岩体节理产状极点分布的分形维

40多年来人们一直关注岩体节理产状分布的研究,但由于岩体节理产状呈现出双变量参数的复杂分布,因此准确地描述节理产状的特征及在实际岩石工程中的应用都很不成熟。据此,采用传统的下半球Schmidt等面积投影网与分形几何知识及计算机编程技能结合的方法,研究岩体节理产状空间分布的几何特征,给出岩体节理极点在下半球Schmidt等面积投影网中的分形维,总结出岩体节理极点分形维分布的基本规律,即节理极点较多的优势组其分形维值一般也较高。但节理极点产状的分形维还与该组节理产状分布的范围有关,产状分布范围越大,分散性越高,其所对应的分形维也越高。提出了节理产状在分布上存在分散度的概念,认为岩体节理极点分布分形维可表示与产状分布分散度的特征,并通过一个实例来讨论和分析上述研究成果。     

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。     

非线性法向变形节理对岩体电磁辐射传播 的影响研究

 为了明确非线性节理对岩体电磁辐射传播过程中强度的影响,从压电效应机制出发,给出含石英等压电介质岩体在应力波作用下所产生的电磁波与入射应力波之间的关系。并依据两者之间的关系及应力波在非线性节理面的透反射解,获得应力波作用下岩体电磁辐射强度变化与节理参数之间的关系表达式。同时,研究节理的变形和入射波频率对电磁辐射强度的影响。结果表明,在震源中心,电磁辐射强度最大,随传播距离发生衰减。电磁辐射强度随节理变形增大而增大;并且随着传播距离的增大,高频电磁信号衰减比低频信号衰减要快得多。     

低频动载应力波传播规律及颗粒流模拟方法研究

 基于颗粒流理论,分别建立大尺度一维、二维颗粒流数值模型,研究低频动载应力波的传播规律。在一维颗粒链模型中,分别从震源激发方式、黏结模型、数值弥散、边界条件的角度系统地研究P波在数值模型中的传播规律,为模拟动载应力波在二维颗粒流模型中的传播提供了参考数据。大尺度一维颗粒链模型(6 400 m)研究结果表明：(1) 雷克子波不存在高频角点,比正弦波更适合模拟波场震源;(2) 当颗粒链模型采用接触黏结时,P波振幅随距离的增大而衰减,但波速基本不变,与理论值的相对误差为0.12%;(3) 当颗粒链模型采用平行黏结时,P波波形产生强烈扭曲;(4) 数值弥散分析表明,雷克子波峰值频率的增大和震中距的增大均会使弥散程度增大,但峰值频率的增大主要使波的振幅降低,震中距的增大使振幅和波速均降低。当频率f≤60.23 Hz,角频率 与波数 近似成线性关系,弥散现象可忽略;(5) 边界条件分析表明,对于刚性边界,反射波与入射波的振幅大小相等,符号相反,边界处质点的位移等于0;对于自由边界,反射波与入射波的振幅完全相等,符号相同,边界处质点的振幅为入射波的2倍;对于吸收边界,反射波振幅比入射波相比大约减少了96.8%,能有效降低反射波的影响。根据以上结论,在大尺度二维六角形排列颗粒流模型(3 000 m 3 000 m)中,采用接触黏结模型,并施加吸收边界条件,分别探讨了P波和S波波阵面特征及波形与波速的变化,并定性地分析了远场条件下的场源效应。结果表明：(1) 当在震源处施加集中力时,模型中出现由点震源激发的P波和S波。考虑到颗粒间的切向刚度为零,S波的存在说明颗粒几何排布对应力波在颗粒模型中的传播规律影响很大;(2) 当震源频率一定时,震中距越大,P波和S波的振幅及波速均因弥散作用而降低,且S波弥散程度更大;(3) 场源效应分析表明,在震源处施加集中力时,P波位移场在力的方向上幅值最大,在垂直于力的方向上无位移;S波位移场在垂直于力的方向上幅值最大,在力的方向上无位移。上述研究得到了应力波在大尺度一维、二维颗粒流模型中传播的规律,与理论分析结果较为吻合,对进一步模拟研究岩石的动态力学行为及其细观机制具有重要的参考价值。     

不同地应力下爆炸应力波在节理岩体中传播规律模型试验研究

 通过模型试验研究不同地应力下应力波在节理岩体中的传播规律,同时考虑节理数量的影响,并推导地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程。首先,通过导爆索产生爆炸应力波,监测不同位置的应力,研究地应力下节理岩体中应力波传播的衰减组成,并分析地应力以及节理数量对应力波衰减的影响,其次,考虑地应力对非线性节理模型的影响,结合时间递归分析法,得出地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程,并将计算结果与试验数据进行对比分析。研究结果表明,高地应力下,爆炸应力波在节理岩体中传播时,其衰减主要由岩石材料和节理两部分分别引起的衰减叠加组成,随着地应力增加,节理岩体对应力波的衰减增强,其中岩石材料对应力波的衰减作用加强,而节理引起的衰减减弱。     

混凝土波速受检测方法影响的研究

为建立超声波法和低应变反射波法检测所得基桩等混凝土构件波速的相互转换方法,给出了Kelvin-Voigt粘弹性介质的三维和一维纵波速度之比及其实用简化公式。结果表明,混凝土构件的超声波速与1.054倍低应变动测波速之比处于1.03～1.12,具体数值会随着混凝土龄期、弹性模量和强度等级的增加而有所减小。     

Numerical investigation of blasting-induced crack initiation and propagation in rocks

To investigate the dynamic fracture mechanism related to blast-induced borehole breakdown and crack propagation, circular rock models containing a single centrally located source of explosive were numerically blasted using the AUTODYN 2D code. According to the material properties and loading conditions, four kinds of equations of state, linear, shock, compaction and ideal gas, are used. A modified principal stress failure criterion is applied to determining material status. The dynamic stresses at the selected target points in a rock sample are computed as a function of time following application of explosive load. It is shown that shear stress (resulting from intense compressive stress) causes a crushed zone near the borehole, the major tensile principal stress causes radial cracks, and the reflected stress wave from free boundary causes circumferential cracks some distance away from the free boundary. The influences of the factors of boundary condition, coupling medium, borehole diameter, decoupling and joint on rock dynamic fracture are discussed.     

地震机制及其对地运动和波传播的影响——兼对若干基本概念的讨论(英文)

首先对地幔对流、大陆漂移和地震起源的机制做了尝试性分析,给出一个简单的力学解释。然后,考虑不同的震源类型,破裂传播以及岩体性质,探讨了震源机制对地面运动和波传播的影响。根据间断(阶跃)波理论阐明了至少应该有两个物理参量才能表征地震烈度,因为在震源处同时有应力阶跃和质点速度阶跃发生。也阐明了断层的破裂速度连同断层面积一起应是第三个重要影响参量,因为它对震源处卸载的时间函数的形式有决定性的影响。由于断层破裂是一个瞬间卸载过程,并引起应力和速度阶跃,而现行惯用的一些概念均未考虑到这一点,所以笔者对工程地震和地震工程中若干概念提出了一些看法,意在引起学术界讨论     

综合管廊燃气爆炸冲击波压力及动态响应研究

采用流固耦合算法,建立6种体积甲烷-空气混合燃气在综合管廊内发生爆炸的有限元模型,计算空气冲击波峰值压力、混凝土管廊的应力和位移时程曲线.并对各空气单元的压力峰值进行统计分析,提出相同燃气体积距燃气边缘不同距离的空气冲击波超压峰值曲线的数学解析式.对6种工况下管廊内距燃气边缘不同距离的空气冲击波超压峰值进行拟合,提出不...     

利用弯曲元测量土体表层剪切波速的初步试验

土体剪切波速是土力学研究与岩土工程设计的关键参数之一。根据压电弯曲元波速测量的方向性,提出了侧向激发与接收的测量模式,使得弯曲元技术可用于室内和现场土体表层剪切波速的测量。在砂土模型内的初步试验表明,以激发元和接收元内侧间距为剪切波传播距离,并采用时域初达波法判别剪切波到达时间,则侧向激发与接收方式弯曲元的剪切波速测量结果准确可靠,精度与常规"对向激发与接收"方式相同。该弯曲元测试方法为当前大量涉及的取样扰动评价及地基处理质量控制等重要问题提供了便捷可靠的无损检测手段。