纵波在改进的弹性非线性法向变形行为单节理处的传播特性研究

将传统的BB模型与经典指数模型统一起来,提出的准静态条件下改进的节理弹性非线性法向变形本构关系可定量化描述节理变形的这类差异。在不考虑加载速率对节理变形行为影响的情况下,将该本构关系推广至动态条件,建立了法向入射纵波在弹性半无限空间中干性单节理处传播的位移不连续模型,基于Lemaitre假设获得了节理透、反射系数TIMP和RIMP的近似解析解;同时结合一维波动方程特征线法推导了节理透、反射波质点速度时域数值差分格式并自编了计算程序,进而得到TIMP、RIMP、透、反射波能量etra和eref、延迟时间Tdel的半数值解,依此研究弹性纵波在单节理处的传播过程及特征。在针对节理法向初始切线刚度Kn,i、节理闭合量与最大允许闭合量比值γ=dn/dmax、入射波频率f等因素对TIMP、RIMP的影响进行探讨的同时,着重分析模型非线性程度ξ及入射波最大振幅vinc的变化对透射波振幅及能量衰减、波形及频谱畸变、时间延迟所产生的影响,并解释了一种"超越"现象。     

弹性纵波在具有非线性法向变形本构关系的节理处的传播特征

对正向入射弹性纵波穿越岩石节理的过程及特性进行理论研究，所研究的岩石节理具有非线性法向变形本构关系。在没有剪切波的情况下，探讨节理的非线性法向变形行为对弹性纵波传播的影响。传统的有关应力波在节理处传播的线性位移不连续理论模型。发展为非线性模型-双曲模型（BB模型），依据此模型，获得了节理透射和反射系数的数值解。该数值解用来进行一系列的参数研究，包括节理初始刚度，节理闭合量相对于最大允许闭合量的比率以及入射波的振幅和频率对节理透射系数的影响等参数研究。也对线性和非线性位移不连续理论模型作了比较。结果表明，线性模型得到的透射和反射系数解是非线性解的一种特例，即当入射波的振幅很弱以至于在波传播中产生的最大节理闭合量相对于最大允许闭合量足够小的条件下，非线性与线性解等同，此外，还发现当波在节理处传播时，节理的非线性变形行为会引起一种高谐波现象。     

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。     

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。     

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。     

改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构模型研究

回顾了已有的几类岩石节理法向变形本构模型,指出以往模型在中应力水平条件下模拟结果与试验结果发生偏离的现象。针对这一问题,引入"半值节理最大闭合量应力"σ1/2概念,着重论述了传统的BB模型与经典指数模型本身所固有的数学缺陷。随后,以Malama和Kulatilake(2003)提出的统一指数模型为例,进一步阐明模型改进的必要性,同时分析了该模型因采用对σn/σ1/2项添加幂函数n的修正方式而丢失节理法向初始刚度Kni的物理意义这一不足之处。基于上述研究,根据前人试验数据分析建立单调加载条件下岩石节理法向应力–位移关系曲线的控制微分方程,定义拟节理最大允许闭合量Dmax=ξdmax的概念,提出一种新的三参数本构模型--改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构关系,并在数学上严格证明了BB模型与经典指数模型是新模型的两个特例。新模型克服了前述模型数学上的缺陷,弥补了以往模型模拟结果与试验结果发生偏离的不足,且没有因新参数ξ的添加丢失Kni的物理意义。最后采用新模型对他人试验结果进行预测,建议了修正参数ξ的确定方法。模型预测结果与试验结果吻合良好,进而验证了本文模型的可行性。     

含单组节理的双重非线性弹性岩石介质中的P波传播规律

为研究含单组节理的双重非线性弹性岩石介质中的P波传播规律,在空间域内设置许多间距极小、刚度极大的假节理。对特定节理位置赋予节理非线性变形BB模型,结合非线性波传播的特征线方程,得到一维P波传过含单组不同条数节理的双重非线性弹性岩石介质时透射波的时域半数值解。编写有限差分程序,利用已有计算实例对程序进行验证,并通过计算模拟作进一步参数研究。详细讨论P波参数、节理力学参数、节理条数、节理间距和岩石非线性系数对透射波首波与后续波波形、首波透射系数、首波与后续波能量的影响。研究结果表明,随着传播距离的增大,大振幅且低频的P波波形发生畸变;小振幅且低频的P波对岩石的非线性作用不敏感。节理间距和岩石非线性系数对首波透射系数、首波能量和后续波能量产生不同程度的影响。振幅较小、频率较高的P波传过条数较多的单组节理时,节理表现出明显的滤波和分解能量的作用。     

含节理岩石试件的卸荷变形特性研究

 开展含节理岩石试件在主应力差卸载路径下的变形特性试验,试验发现：(1) 恒定s3减小s1卸载主应力差过程中,完整岩石卸载变形曲线与加载变形曲线基本重合,但节理试件加卸载变形曲线表现出较大差异,且卸载后试件轴向和环向均出现较大残余应变;(2) 按照2种不同路径卸载主应力差时,含节理试件变形特征存在很大差异。为从理论上研究含节理试件变形特征并解释上述试验现象,建立节理加卸载本构模型,并提出确定模型参数的方法。研究表明：用节理面加载与卸载变形特征的差异,从理论和试验结果两方面能很好地解释含节理岩石试件加卸载变形特性的差异以及在不同卸荷应力路径下的变形差异。研究成果可以反映含单组节理岩体的加卸载变形特性。     

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。     

岩石节理剪切力学特性的非线性理论模型研究

针对人工节理试样开展不同法向应力条件下的直剪试验,基于试验结果的非线性特征,对Goodman线性剪切模型进行改进,提出一种更接近实际情况的非线性全量剪切模型,该模型大部分参数均可从试验数据获取,并能准确描述节理剪切过程中剪切应力与剪切位移之间的非线性关系.借鉴Saeb和Amadei切向与法向耦合刚度系数的计算方法,结合...     

有限长岩柱中纵波传播规律的离散元数值分析

以节理岩体等效刚度的概念为基础，讨论了离散元刚性块体模型中节理刚度的选取问题。采用面－面接触模型模拟了纵波在一维岩体中的传播，给出了纵波波形；研究了阻尼比、软弱夹层以及节理间是否对可拉对波传播规律的影响。     

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。     

用非连续变形分析方法模拟岩石裂纹扩展

提出一种用非连续变形分析方法模拟岩石裂纹扩展的方法。将计算区域自动剖分成三角形块体单元,块体边界分为真实的节理边界和虚拟节理边界。裂纹扩展沿虚拟节理进行,按照界面破裂准则进行裂纹扩展分析。该方法可以模拟裂纹萌生、扩展、贯通和岩体破碎全过程,适用于完整岩石、断续岩体乃至完全不连续岩体等任意情形。由于该方法基于离散颗粒数值模型,其计算过程不会遇到数学上的困难。根据所提算法,编制VC＋＋程序模块,并计算几个算例。模拟结果与已有的物理、数值试验结果吻合得较好,表明所提算法是有效的。     

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。