黏弹性节理岩体中应力波的传播特性分析

为探究黏弹性节理对应力波在岩体中传播规律的影响,引入饱依丁-汤姆逊模型作为位移不连续条件,基于时域递归方法推导出应力波通过一组平行黏弹性节理的传播方程;通过将饱依丁-汤姆逊模型退化为Maxwell模型和Kelvin模型所得的时域递归数值解与已有的频域内封闭解对比,验证推导过程的正确性;最后,对相关参数的影响规律进行分析。结果表明：模型无量纲系数、无量纲节理厚度、无量纲节理间距和入射角等都对波的传播产生影响;对于单条节理,应力波的透反射系数以及能量耗散率主要取决于位移不连续模型的无量纲参数、入射角及无量纲节理厚度;而对于一组平行节理,透射系数还和平行节理数与节理间距的大小有关,且节理条数的增加对入射临界角位置处透射波振幅的衰减影响更为明显。     

不同接触位置的红砂岩规则锯齿节理面剪切特性研究

不同接触位置对规则锯齿节理面的剪切特性存在一定影响,为探究其影响规律,制作了具有相同粗糙度但接触位置不同(平直部分集中分布于节理面中部或对称分布于节理面两侧)的规则锯齿节理面,在不同起伏角、不同竖向应力条件下开展直剪试验.试验结果表明,节理面的剪切应力-剪切位移曲线可划分为4个阶段:峰前线弹性阶段、峰前非线性阶段、峰后软化阶段、峰后残余阶段.线弹性阶段节理面的剪切刚度、破坏时峰值剪切强度与锯齿的起伏角、节理面所受竖向应力以及节理面接触位置均有关;但残余剪切强度只与节理面所承受的竖向应力有关,符合摩擦作用的规律.     

岩体内应力波传播的研究进展与展望

岩体动态力学行为和应力波传播特性是岩体工程动态稳定性分析的关键科学问题之一.天然岩体内广泛存在着从细观缺陷到宏观节理等不同尺度的不连续结构面,影响应力波的传播,导致应力波能量的衰减.岩体内的细观缺陷和宏观节理对应力波传播的影响具有不同的作用机理,充分认识不同尺度的不连续面对应力波传播规律的影响对岩体工程动态稳定性分析具有重要意义.首先,分析了应力波在细观缺陷岩体内的衰减机制,详细介绍了研究细观缺陷岩体内应力波传播的波散射方法、等效弹性模量方法、等效黏弹性连续介质方法,对比总结了这些方法的适用性及优缺点.其次,分析了应力波在宏观节理岩体内的透、反射机制,系统介绍了研究宏观节理岩体内应力波传播的位移不连续方法和等效连续介质方法,重点概述了这2种方法的优缺点.再次,总结了双尺度不连续结构面岩体内应力波传播的分析方法,在同一框架内分析了双尺度不连续结构面岩体内应力波的传播规律,阐明了细观缺陷和宏观节理对应力波传播规律的不同作用机理.最后,结合深部岩体工程、极地岩体工程等国家重大项目,展望了应力波分析方法在极端环境下岩体工程稳定性分析中的应用.     

P波入射含顺层结构面岩质边坡引起的振动

假定岩体为开尔文非线性体、结构面法向满足Barton-Bandis模型、切向满足库仑滑移模型,基于时域递归法得到应力波在岩体和结构面中的传播方程。根据简化的边坡模型,结合应力波传播路径和时间延迟,对结构面与边坡坡面之间的多重反射波的传播情况进行分析,利用叠加原理得到边坡面上任意质点的法向和切向振动速度表达式。通过数值模拟对比验证理论分析的准确性,并对本研究理论和数值方法的适用范围进行简要说明。研究结果表明,结构面的刚度、监测点水平位置、坡角和坡脚竖向距离等均会对边坡振动放大效应产生一定的影响。从理论方面阐明岩体结构面对坡面质点振动放大效应的影响规律,为岩质边坡动力响应的深入研究提供理论依据。     

节理岩体隧道稳定性影响因素正交试验及锚杆作用要点研究

采用正交试验法研究裂隙岩体节理、岩块力学参数对隧道稳定性影响,提出了锚杆支护在不同裂隙岩体隧道中施作要点和内涵。结果表明:相对于塌方区、张开区,剪切滑移区更能反映节理面间剪切错动,可作为节理岩体隧道失稳的一个判断标准。层状岩体隧道稳定性主要影响因素是节理面"法向刚度和剪切刚度",而碎裂状岩体控制剪切滑移区主要因素是"节理面内摩擦角和粘聚力"。对于层状岩体,锚固效果受制于锚杆在节理面法向和切向刚度;对于碎裂状岩体,应强调注浆性质的锚固效果来提高其节理摩擦角和粘聚力,锚杆支护在提高"刚度"的同时,更应着重于提高岩体抗剪切能力,以有效提高碎裂岩体隧道稳定性。     

岩石节理面剪切流变的试验研究

通过对龙滩水电站岩石节理样本进行快剪和剪切流变试验的比较研究，分析了节理面流变对剪切强度的影响及剪切蠕变机理，确定了节理面的长期抗剪强度，并从岩石理论模型出发，对试验数据进行了回归分析，建立了不同正应力作用下的剪切蠕变经验公式，以便于了解岩石材料在给定条件下的蠕变特性。     

剪切速率对岩石节理强度特性的影响

不同剪切速率下岩体结构面的力学特性研究是进行岩质边坡动力反应分析的重要前提。基于Barton峰值抗剪强度理论和均方根一阶导数值法的节理粗糙度系数计算方法,对前人研究中关于定法向应力条件下不同剪切速率的岩石节理峰值抗剪强度的室内直剪试验结果进行整理与计算,探究剪切速率对岩石节理总摩擦角的影响规律,提出与速率相关的岩石节理峰值抗剪强度经验公式。结果表明:当剪切速率在0~0.8 mm·s^-1范围内时,岩石节理试样的总摩擦角随剪切速率的变化呈现负对数变化规律;对于均质性和各向同性较强的岩石节理随剪切速率的增大,总摩擦角呈现减小趋势,对于非均质性和各向异性较强的岩石节理随剪切速率的增大,总摩擦角呈现增大趋势,且后者总摩擦角增大幅度小于前者的减小幅度;岩石节理的物性和微观几何形态对总摩擦角随剪切速率的增加而变化的影响较大,节理面的物性主要影响总摩擦角随剪切速率增加呈现增大或减小的变化趋势,节理面的微观几何形态主要影响总摩擦角随剪切速率的变化幅值。     

节理岩体中纵波传播特性数值研究

利用通用离散元程序（ UDEC）研究应力波在单个和多个平行节理中的传播规律,为了简化问题,其中的应力波为垂直节理入射的P波。数值模拟的结果表明,在单个节理的情况下,透射系数的大小只与节理的法向刚度有关,而与节理的剪切刚度和内摩擦角无关;在多个平行节理的情况下,节理数影响应力波的透反射情况,节理数增加,透射系数随着节理间距减小的变化值增大。     

岩石节理剪切强度研究

利用断裂力学理论分析了纯剪切应力状态和双向压应力状态作用下节理模型的断裂机制。在已有的数值模拟和实验基础上,通过引入分形维数,推导了粗糙节理的摩尔-库仑剪切强度的改进公式。该公式的分析结果显示,节理尺度相对于岩体尺寸越大,节理的抗剪强度就越低,并且节理的抗剪切强度与分形维数的关系是一种非线性增长关系。     

灌浆节理的剪切特性和剪切蠕变特性试验

通过剪切试验和剪切蠕变试验,研究了灌注水泥浆的硬性节理面的剪切特性和剪切蠕变特性.首先,利用大理岩制作了张拉型节理面,灌注水泥浆液,形成灌浆节理面;然后,利用三轴室进行直剪破坏试验,得到了灌浆节理面的变形特性和剪切破坏特性;第三,进行了灌浆节理的剪切蠕变破坏试验,得到了灌浆节理面剪切蠕变破坏特性和蠕变变形特性;最后,对直剪试验和剪切蠕变破坏试验结果进行了分析.所得结果加深了对灌浆节理面剪切破坏及变形特性的认识,为进一步研究灌浆节理面的抗剪强度与蠕变模型,提供了前提基础.     

Tomography of the dynamic stress coefficient for stress wave prediction in sedimentary rock layer under the mining additional stress

In this study, the tomography of dynamic stress coefficient(TDSC) was established based on a mechanical model of stress wave propagation in bedding planes and a mathematical model of the stress wave attenuation in rock masses. The reliability of the TDSC was verified by a linear bedding plane model and field monitoring. Generally, the TDSC in the dynamic stress propagation of bedding planes increases with the following conditions:(1) the increase of the normal stiffness of the bedding plane,(2) the increase of the incident angle of the stress wave,(3) the decrease of the incident frequency of the stress wave, or(4) the growth of three ratios(the ratios of rock densities, elastic moduli, and the Poisson's ratios) of rocks on either side of bedding planes. The additional stress weakens TDSC linearly and slowly during the stress wave propagation in bedding planes, and the weakening effect increases with the growth of the three ratios. Besides, the TDSC decreases exponentially in the rock mass as propagation distance increases.In a field case, the TDSC decreases significantly as vertical and horizontal distances increase and its wave range increases as vertical distance increases in the sedimentary rock layers.     

非固结面裂隙深度对爆破振动影响试验研究

鉴于岩体中存在大量裂隙,为了探索非固结面裂隙对爆破振动效应的影响,通过建立波在裂隙岩体中传播的砂浆模型,对节理裂隙岩体进行模拟试验,研究分析了岩体裂隙深度对应力波传播规律的影响。研究表明：由于非固结面裂隙因素影响,裂隙深度对垂直方向质点峰值的影响较大,质点垂向振动峰值变小,裂隙深度和质点峰值大小不是反线性比例关系;裂隙深度对三个单独方向（垂向、径向和切向）主频率大小的影响并不明显,但其垂向频域分布主要集中在中高频,径向和切向主要集中在低频频域范围内。     

PS测井在公路隧道勘察中的应用

介绍了单孔法PS测井的原理极其相应的数据处理方法。通过获取地震波经过不同深度的岩土的直达波旅行时便可求得纵横波波速,进而通过弹性波理论基础即可根据纵横波速度计算出泊松比、剪切模量、扬氏模量、体积模量、拉梅常数、风化系数、岩体完整性系数、岩体波速等岩土动力学参数。这些参数可对隧道围岩等级做出评定,为隧道设计提供必要的依据。同时,由PS测井所得到的土层及强、中、弱风化层的纵横波速还可对面波和折射波勘探中风化层位的划分起标定作用。文中结合某一具体公路隧道勘察的应用效果,展现了该方法获取岩土动力学参数的有效、快捷的特点及其在隧道勘察中的应用前景。     

工程场地浅层剪切波速结构反演

目的反演工程场地浅层剪切波速结构,验证中美联合地脉动台阵观测记录适合应用于实际工程场地的浅层剪切波速结构.方法对唐山地区两个实际场地观测,从地脉动台阵观测竖向记录中提取了Rayleigh波相速度频散曲线,从地脉动台阵3分量记录中提取了Love波相速度频散曲线,采用Haskell矩阵计算理论的Rayleigh波和Love波相速度.结合遗传算法与单纯形结合的反演算法对唐山地区的两个具体场地浅层剪切波速度结构进行了反演,并与实际的钻孔资料进行了对比.结果场地1提取的相速度频散曲线与理论计算结果有一定的差别.场地2提取的相速度频散曲线与理论计算结果符合较好,场地2的剪切波速结构反演结果较好,与钻孔资料的平均误差均在20%以内.结论利用从地脉动记录中提取Rayleigh波和Love波相速度频散曲线,反演场地剪切波速结构效果较好,适用于实际工程场地的浅层剪切波速度结构反演.     

二维波穿过单节理的透射率特性及其隐含意义

二维波穿过单节理的问题是一个复杂的多因素影响问题,其透射率影响因素有:节理无量纲刚度、射线角、巷道半径、所在点离巷道中心的径向距离以及岩石力学性能参数.对二维波穿过单节理的透射率进行了详细的算例分析.归纳了二维波穿过单节理后透射率特性,在此基础上提出了相关问题的研究策略.分析结果表明:单节理后各节点透射率的研究,可以通过单节理后某一以巷道或钻孔中心为中心的圆弧上各节点的透射率来展开;射线角为90°的射线上节理后各节点透射率的研究,可以通过节理后某一节点的透射率来展开;单节理的透射率的研究可以在一个固定半径值的巷道或钻孔的模型上用一种典型的岩石进行.     

煤与瓦斯突出冲击波传播规律研究

应用应力波理论研究了煤与瓦斯突出过程中产生的冲击波在煤体界面上的反射、透射现象,得到了入射、反射和透射超压解析解,根据空气动力学分析了冲击波沿巷道方向传播规律.结果表明：透射超压值为入射超压的两倍,而反射超压值略小于入射超压.冲击波超压与冲击气流、突出的膨胀能量成正比,与通风巷道的截面面积呈反比;当冲击波在单个层状煤体中传播时,它会在其两端自由界面上出现反射,反射波反向卸载,自由面上物体振动速度加倍,又将其撕裂成若干个更薄的层状体;当冲击波传播到构造煤和硬煤岩体的分界面上时,产生了强烈的透射和反射现象,透射波在分界面上叠加,其应力值加倍,煤体受到强烈压缩作用,当其超过软煤强度时,软煤被压裂破坏.     

层合介质中平面SH波的传播

研究了平面SH波通过多层弹性层状介质时的传播特性,求得了透射波和反射波振幅的解析解表达式,并把本文表达式的特例与现有文献结果作了对比,结论一致,同时进行了含单一夹层时SH波的室内砂池模拟试验,试验结果与理论结果基本吻合。     

Numerical study on maximum rebound ratio in blasting wave propagation along radian direction normal to joints

1 INTRODUCTION For one dimensional wave, such as seismic wave, passing across single joint or multiple parallel joints, combining the theory of displacement discontinuities and the method of characteristics, solutions in terms of magnitudes of the reflection ratio and the transmission ratio have been obtained by several researchers[1?6] for P-wave and S-wave respectively. However, for a practical dynamic problem in a rock mass involving blasting wave propagation from a tunnel or borehole,…