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。     

应力波在承台-桩系统中传播数值分析

通过应力波在承台-桩系统中传播有限元计算,分析了承台-桩几何尺寸、承台-桩材料特性对应力波传播图案及能量的影响,同时还讨论了激振频率、激振区域、接收点位置以及邻桩桩体反射波对测点信号影响。计算表明承台的几何尺寸对应力波在承台-桩传播影响很大。边界的反射波不再是单一的波,而是很复杂的波列,它不仅会影响承台表面测点的响应,而且还会在承台-桩交界面形成新的入射、反射,使得测点的桩身反射波形识别很困难。     

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。     

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。     

柱面波在含节理岩体中传播的UDEC模拟

柱面波是岩体工程爆破中常见的波动形式之一,研究其传播规律对于岩体工程开挖及地下结构安全有重要意义。首先,采用离散元程序UDEC对柱面波在含线弹性节理岩体中的传播特性进行数值模拟研究。建模时通过在模型底部设置半圆柱状空腔实现柱面波的加载。之后,分别对无节理以及含单个节理的岩体中柱面波的传播进行模拟,并将数值结果与相应的理论结果进行对比,结果表明,UDEC能够准确有效地模拟柱面波在节理岩体中的传播。然后,分析节理刚度、入射波频率和监测点位置等因素对单节理岩体中柱面波透反射系数的影响规律。参数研究表明,监测点的位置变化会通过影响波的几何衰减和改变波的入射角度共同影响柱面波的传播特性;节理刚度在一定范围内会对透反射系数有显著影响,当刚度取值较大时影响较小,此时应力波主要以透射为主;频率影响分析再次印证了节理通低频、阻高频的特性。最后,对柱面波在一组节理中的传播特性进行研究,并且对影响波传播的因素展开分析。结果表明,节理间距和节理数量共同影响着波的传播特性。     

节理玄武岩体弹性波频散效应研究

以裂隙为例,将岩体裂隙作为内边界处理,构造符合内边界条件的格林函数,结合边界积分方法研究岩体内部裂纹、孔洞等不连续结构面对弹性波的散射.与室内试验结果和现场测试结果进行对比,结果表明:基于模型计算的波速与现场测试结果吻合较好,但与室内试验结果有较大差异.这种差异主要是室内试验和现场测试中岩体所处的应力状态、边界条件等因素的差别造成的.进一步探讨节理岩体的细观结构对频散效应的影响,结果表明随着裂隙长度的增加和孔隙度的增大,频散效应越显著;改变裂隙和入射弹性波相对方向,频散效应亦发生相应变化.其结果对现场声波和地震波的测试具有很好的指导意义.     

深部裂隙岩体中弹性波传播与衰减规律试验研究

为研究深埋裂隙岩体中弹性波的传播与衰减规律,采用室内模型试验,得到弹性波在深部裂隙岩体中传播时的波速值及首波波幅值随地应力变化的曲线,并对试验过程中弹性波的传播与衰减规律进行分析,对裂隙岩体中弹性波的波速增量、衰减程度与围压、裂隙数量、裂隙分布角度之间的关系进行了探讨和拟合。试验研究结果表明:在三轴压缩试验中,当围压一定而轴向压力增加时,弹性波波速值的变化经历快速增长、缓慢增长、基本稳定、快速降低4个阶段,并在轴向应力达到峰值强度的60%时,波速值迅速下降,因此可判断该点为岩体中裂纹开始扩展的起始点,同样首波波幅值的衰减程度也呈现出类似变化规律;在三轴拉压试验中,当围压一定而轴向拉力增加的过程中,弹性波波速值不断降低,波幅值的衰减程度也是不断增强。围压、裂隙角度、裂隙数量对弹性波的传播速度和衰减程度均产生一定影响,影响程度的敏感性为:裂隙数量围压裂隙角度。     

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。     

应力波在一维节理岩体中传播规律的 试验研究与数值模拟

 在测定撞击载荷形式的基础上,通过试验研究应力波在一维节理岩体中的传播规律。分析完整岩体中各质点的振动形式以及不同形式的撞击载荷下对质点振动的影响,在完整岩体中质点的振动形式很有规律,其振动频率单一,且与一维岩柱的长度有关;分析结构面附近质点的振动特征,试验结果表明结构面附近质点振动有增强现象;还分析结构面组数对应力波传播衰减规律的影响,随着结构面组数的增加,质点振动衰减便快,应力波随距离的衰减也很明显。在块体离散元的基础上,研究多尺度离散元模型,并用它来模拟应力波在节理岩体中的传播规律,取得较好的效果,说明块体离散元适合模拟岩体中应力波的传播衰减规律。     

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。     

摆型波传播过程块系岩体能量传递规律研究

深部岩体工程存在一种特殊的岩体动力现象即摆型波传播现象,摆型波在岩体中低频低速传播并伴随着较大的岩体能量传递。针对摆型波传播过程块系岩体的能量传递规律,基于深部岩体的非连续自平衡应力等级块系构造理论,研究摆型波传播过程块系岩体中岩块与其周围软弱介质之间的能量转化规律,分析自应力块系岩体中的能量传递规律。经分析得到:摆型波传播过程块系岩体的能量转化表现为岩块的动能和其周围软弱介质的势能之间存在相互转化,动能和势能在相互转化过程中不断向前传递,给出块系岩体能量传递与转化的表达式,并通过计算分析得到块系岩体局部区域能量变化呈现周期递减规律以及整个块系岩体的动能和势能变化符合指数耗散规律。     

中尺度复杂岩体应力波传播特性的微震试验研究

采用全数字型多通道微震监测系统,对深部复杂采空区岩体和上部露天台阶絮渣岩体分别进行了现场爆破应力波传播特性试验,利用P波触发时间和传播距离组成的离散点进行线性拟合,得出应力波传播速度,结果显示深部复杂采空区岩体和上部絮渣岩体明显出现两个层状速度模型。利用应力波振幅和传播距离组成的离散点进行曲线拟合,并对应力波信号进行频谱分析和滤波处理,研究应力波的衰减特性。试验结果表明,应力波振幅随传播距离的增加而减小,且在数值上呈乘幂衰减;应力波衰减系数和应力波频率成正比,数值上呈三次多项式关系,高频成分应力波衰减更加明显。利用试验数据,分别计算出深部复杂采空区岩体和上部絮渣岩体的平均品质因子,计算结果分别为4.055和2.478,两者远小于一般原岩的岩体品质因子,说明复杂采空区和絮渣的存在对应力波的传播有很大影响。     

用弹性波速计算正交各向异性岩体的裂隙张量

初步尝试了运用弹性波速确定岩体的裂隙张量；首先将岩体视为正交各向异性介质，基于裂隙岩体的应变体积平均，从裂隙引起的间断位移出发，导出裂隙张量与由裂隙引起的柔度张量增量之间的关系；然后根据正交各向异性岩体的波动理论，建立了岩体裂隙张量、等效弹性参数和弹性波速三者之间的相关关系。根据这些关系，给出了二阶、四阶裂隙张量的弹性波速计算过程。含裂缝水泥砂浆试件的试验结果表明，采用本文计算方法获得的裂隙张量基本能反映出裂隙的分布情况。     

岩体波动参数的测试及动静力学参数的综合应用

工程实践中大量应用的是工程岩土体的静力学参数，取得这些参数的最直接方法就是工程测试。然而，静力学试验测试往往是设备笨重、耗时耗力、成本昂贵。基于波动理论的动力学测试方法设备轻便、实施灵活、成本较小，因此岩土体动力学参数的获得往往要容易得多。综合应用波动测试和静力学测试结果，将给工程建设带来可观的技术经济效益。针对波动测试方法中走时测定误差的影响，提出了原位岩体波速测试的震相拟合方法和岩块波速测定中震相识别的若干判据和震相走时修正的原则。在综合比较动、静测试参数的基础上，讨论了2种测试方法的特点及动静力学参数的综合应用问题。     

三峡工程卸荷岩体声波测试及其参数研究

通过现场开挖边坡卸倚岩体不同距离的声波测试，研究了卸荷岩体的声波传播特性，并采用卸荷岩体力学的观点和方法，对声波测试结果进行了分析，得到了不同方向声波速度的变化规律，并发现其具有明显的正交异性特征，然后根据声波的传播特性，划分了边坡开挖后岩体不同的卸荷区域，确定了各卸荷区岩体宏观力学参数，最后与试验结果进行了比较，得到了比较一致的结论。     

小观音坝址区岩体弹性波特征及其应用

  利用勘探平硐的硐壁波速和硐间整体穿透波速的测试成果,分析了小观音坝址区岩体弹性波速度的空间分布特征,鉴于该坝址区以自重应力为主的地应力场特征,讨论了岩体弹性波速度与地应力场的关系。在建立岩体弹性波速度与岩体力学参数间关系的基础上,并以岩体波速为桥梁,探讨了岩体力学参数与地应力之间的关系。利用建立的各种关系,对坝址区难以开展现场试验但又需要岩体力学参数的某些地段,可以通过弹性波测试甚至根据空间位置,确定或估算其岩体力学参数,以供坝址区岩体质量评价、岩体力学分析和计算使用。