岩体软弱夹层的弹性模量动力测试方法

 针对岩体软弱夹层的力学参数具有渐变性,假设软弱夹层的损伤度按照二次曲线规律变化,建立应力波在软弱夹层的传播模型,研究应力波的波形变化规律,提出软弱夹层弹性模量的动力测试方法。现场试验研究表明：当采用波形变化系数量化入射侧的计算波形和实测波形差异时,随着软弱夹层峰值损伤度增加,波形变化系数先减小后再增加,波形变化系数为最小值时,入射侧的计算波形和实测波形非常接近;随着子波主频增加,软弱夹层的动态弹性模量近似成线性增加,通过线性拟合求得了软弱夹层的静态峰值弹性模量为0.74 GPa;基于变形相等原则计算得本次试验的软弱夹层的等效动态弹性模量为4.24 GPa,采用波速法测试得夹层动态弹性模量为4.70 GPa,波速法测试结果与等效动态弹性模量相近,表明该方法测试结果合理。     

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。     

弹性纵波入射粗糙节理面透射性能研究

 针对应力波穿过节理面产生的衰减现象,研究节理面的几何形状、法向刚度对应力波的透射性影响。根据节理面几何特性设计6种模拟节理面粗糙程度的节理模型,用UDEC软件模拟一维弹性纵波的入射问题。计算结果表明,节理面的粗糙程度、法向刚度对弹性波的透射系数影响很大,节理面越粗糙,法向刚度越小,弹性波衰减程度越大,弹性波的波速降低越快。     

离散元法在节理岩体爆破振动分析中的应用

采用自编的离散元刚性块体计算程序,模拟了不同药量时节理岩体中集中药包的爆破过程,计算所得垂直振动速度波形和频谱基本上满足试验测定波形的特点.对计算得到的最大垂直运动速度幅值和频谱进行拟合,结果与试验数据吻合较好.同时,计算结果显示,振动波与节理走向的夹角不同,垂直运动速度波幅值和主频的衰减规律也有所不同,这与真实岩体中波传播特性相符合.     

非线性法向变形节理对弹性纵波传播的影响

从波的弹性位移出发，推导线性位移不连续模型，然后引入等效位移假设，建立节理非线性位移不连续模型。依据所建立的非线性模型，获得垂直入射纵波在非线性法向变形节理处传播的透射和反射系数的解析解。利用该解析解，研究节理初始刚度、节理闭合量与允许闭合量的比率以及入射波频率对节理透反射系数的影响，并与已有的数值计算结果进行比较，两者吻合很好。     

节理倾角及连通率对岩体强度、变形影响的单轴压缩试验研究

 利用含一组张开预置裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究节理组的产状和节理连通率的连续变化对张开断续节理岩体单轴压缩强度和弹性模量及应力–应变曲线的影响。试验研究发现：(1) 随着节理连通率的增大,应力–应变曲线的延性增强,由单峰曲线变为多峰曲线;(2) 在节理倾角不变时,随着节理连通率的增大,岩体的峰值强度和弹性模量都逐渐降低,且二者变化规律不完全相同,可采用不同幂函数的倒数来表示,其系数与节理倾角有关;(3) 当节理连通率不是很大时,岩体的峰值强度和弹性模量随节理倾角的变化规律大致相同,节理倾角为90°时岩体峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为30°和60°时岩体的峰值强度和弹性模量最低,出现2个极小值。当节理连通率较大时,节理倾角为90°时岩体的峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为45°时岩体的峰值强度最低,节理倾角为0°～60°时岩体的弹性模量都很低。对试件破坏过程的进一步分析表明,上述岩体宏观力学特性随节理倾角和连通率的变化规律,与预制节理的闭合摩擦、岩桥内拉伸和剪切裂纹产生及与预制节理组合形成宏观组合破坏面等细观损伤力学机制密切相关。     

改进线弹性位移不连续模型和结构面弹性模量动力法测试

 线弹性位移不连续模型难以准确描述应力波穿过厚度较大的宏观结构面的传播过程,对结构面透射侧的位移分量和应力分量进行多次泰勒展开,建立改进线弹性位移不连续模型,运用原模型和改进模型测试结构面弹性模量,研究阻抗比和结构面厚度对测试误差的影响,研究结果表明：当阻抗比较小时,应选择改进模型,基于反射波的波形差异测试结构面弹性模量;当阻抗比较大时,应选择原模型,基于透射波的波形差异测试结构面弹性模量;数值模拟得到测点振动波形,分析结构面厚度对测试偏差的影响,随结构面厚度增加,基于改进模型反射波波形差异的测试偏差减小,基于原模型透射波波形差异的测试偏差增加,现场试验与数值模拟的结果是一致的。     

节理面非线性变形对SV波透反射性能影响

 平面SV波穿越节理面是一个复杂的问题,节理面刚度、入射角、法向非线性位移、切向非线性位移、入射波频率等都是影响节理透反射性能的重要因素。采用射线理论推导SV波穿越线性变形节理的透反射解析解,利用Lemaitre等效应变假设原理,分别采用Goodman和Duncan模型描述节理面非线性变形,考察节理面透反射性能受法向与切向非线性位移的影响。研究结果发现：SV波垂直入射节理面,只产生反射SV波和透射SV波,由于节理面刚度参数的影响,刚度越大则反射系数降低、透射系数增加,非线性位移越大其变化随刚度变化越快;节理面呈现出低通滤波器功能,频率越高越容易被反射,越低则越容易透射;法向与切向位移对不同波场的影响程度不同,正是非线性位移的大小决定节理面法向与切向的有效刚度,最终决定弹性波在节理面上的透反射性能。     

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。     

二维波穿过非线性节理面的透射性能研究

二维波穿过非线性节理面是一个复杂的问题,量纲一的刚度、射线角、径向距离、节理参数、入射波频率等都是影响节理后透射率的重要因素。采用非线性节理本构研究单条垂直节理下二维波的透射性能,结果发现:二维波穿越垂直节理面的透射率,不仅与节理面法向刚度与切向刚度有关,还直接受节理面黏聚力和内摩擦角的控制;节理面黏聚力和内摩擦角的数值反映节理面的闭合程度,从而使透射率呈现不同的变化规律。内摩擦角不变,黏聚力提高可以提高透射率;黏聚力不变,节理面内摩擦角引起透射率变化有两种形式:低黏聚力下内摩擦角的升高可使透射率增大;高黏聚力下透射率反而从一较高水平下降到较低水平。最后,根据单节理作用下透射率的研究成果对多条节理分布下的透射性能进行对比研究,对复杂节理分布下的动力响应计算进行尝试。     

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。     

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。     

节理岩体双重非线性弹性介质中的纵波传播特性

 基于应力–应变关系中包含三阶非线性项的岩石介质和非线性法向变形节理模型,结合波动方程特征线法,得到在非线性岩石介质中纵波法向入射单节理时透射波的半数值解,并编写计算程序。对波源参数、节理参数和岩石非线性、节理位置等进行一系列参数研究,探讨节理岩石双重非线性弹性介质对透射波波形、透射系数和频谱分布的影响。研究结果表明,岩石的非线性系数会对节理的高频滤波作用以及节理面质点位移的恢复路径产生影响。双重非线性作用下的透射波除了和线性岩石中一样受节理参数、波源参数的影响外,还与节理位置和岩石的非线性系数有关。在纵波受岩石非线性作用较大的情况下,频率相同振幅较小的纵波的透射系数较大。大振幅波在双重非线性的影响下,透射波中会产生一系列高谐波,该高谐波是应力波受岩石和节理综合作用的结果。     

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。     

节理岩体的三维随机有限元及可靠度计算

将具有一组节理的三维节理岩体视为横观各向同性材料,考虑岩体的弹模、节理的间距、节理方位、节理刚度系数Ｋｎ、Ｋｓ以及节理岩体抗力参数（含岩石和节理面的抗力参数）的随机性,采用Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈ方法确定弹性参数的统计量,推导出了相应的三维随机有限元及可靠度计算公式,文末计算了某节理岩体边坡的点可靠度,并以此说明了节理间距和节理方位的随机性对可靠指标的影响。     

柱状节理岩体宏观等效弹性模量尺寸效应研究

以金沙江白鹤滩水电站工程为背景,结合相关的岩石力学试验方法,建立了柱状节理岩体三维离散元模型,对柱状节理岩体进行了三轴压缩试验数值模拟。数值试验研究了六棱柱形柱状节理岩体柱体直径变化、四棱柱形柱状节理岩体柱体边长、节理错距变化对其等效弹性模量的影响。为研究随机柱状节理岩体柱体尺寸对岩体等效弹性模量的影响,提出柱体大对角线长尺寸控制方案,并研究了柱体大对角线长变化对岩体等效弹性模量的影响。通过与现场试验的对比研究,结果表明：随机柱体尺寸控制方案可靠;柱体尺寸的变化对与柱体垂直方向的等效弹性模量影响较大,是主要影响因素;四棱柱形柱状节理岩体错距变化主要对与错距平行的岩体等效弹性模量产生影响,对其它两个方向的等效弹性模量的影响较弱,是次要影响因素。研究结果为工程实践中等效力学参数的确定提供了相关参考。