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充填节理岩体中应力波传播特性研究

合肥工业大学学报（自然科学版） 2021年第8期44卷 1073-1081页

作者：贾帅龙王志亮熊峰田诺成卢志堂合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 合肥工业大学资源与环境工程学院安徽合肥230009

在考虑节理接触面与充填材料共同变形的前提下,文章基于时域递归法推导了应力波在充填节理处的传播方程,并对其进行了对比验证;分析了节理接触界面刚度、节理厚度及入射角度对波在充填节理处传播特性的影响规律;依据应力均匀性假定,将... 详细信息

在考虑节理接触面与充填材料共同变形的前提下,文章基于时域递归法推导了应力波在充填节理处的传播方程,并对其进行了对比验证;分析了节理接触界面刚度、节理厚度及入射角度对波在充填节理处传播特性的影响规律;依据应力均匀性假定,将充填节理简化为不考虑厚度的位移不连续模型,考察了充填节理法向与切向力学性质的变化规律。结果表明:所推导的波传播方程计算值与相关研究结果吻合较好,通过迭代可求出反射波与透射波的数值解;在相同的节理厚度和波入射角度下,透射系数随节理接触界面刚度的增加而增大,反射系数则逐渐减小;不同节理厚度下等效法向与切向刚度均随接触面刚度的增加而增大,而随节理厚度增加,等效法向与切向刚度呈降低趋势。研究结果对揭示应力波在节理岩体中传播规律具有一定参考价值。

关键词：应力波时域递归法充填节理接触界面刚度位移不连续模型

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应力波入射充填节理的透射性能研究

城市道桥与防洪 2023年第1期 229-233,I0022页

作者：刘亚强贾帅龙李善伟上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司上海市200092 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司天津分公司天津市300202 河北工程大学土木工程学院河北邯郸056038

为了研究充填节理对不同频率应力波透射性能的影响,根据充填节理特性设计了不同厚度和强度的节理模型,并对不同频率应力波正入射岩体节理的现象开展模拟,研究了应力波在不同强度和宽度充填节理条件下的反射和透射规律。结果表明:对于不... 详细信息

为了研究充填节理对不同频率应力波透射性能的影响,根据充填节理特性设计了不同厚度和强度的节理模型,并对不同频率应力波正入射岩体节理的现象开展模拟,研究了应力波在不同强度和宽度充填节理条件下的反射和透射规律。结果表明:对于不同强度和厚度的充填节理,随着应力波频率的增加,其透射系数均逐渐降低,充填节理起到“滤波”作用;随着频率的增加,透射系数衰减速率先快后慢,并逐渐趋于稳定,且充填节理强度越低、宽度越大,该现象越明显。

关键词：应力波充填节理透射性能 UDEC

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含充填节理岩体中应力波传播规律的三维模拟

水利水运工程学报 2020年第6期 80-88页

作者：丁英勋王志亮黄佑鹏合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009

为研究应力波在含充填节理岩体空间中的传播特性,采用离散元软件探讨不同产状节理对P波透、反射规律的影响。首先,建立三维节理岩杆的计算模型,合理选用透射边界和Rayleigh阻尼;然后,将所得计算结果与等效波阻抗理论解相比较,以验证模... 详细信息

为研究应力波在含充填节理岩体空间中的传播特性,采用离散元软件探讨不同产状节理对P波透、反射规律的影响。首先,建立三维节理岩杆的计算模型,合理选用透射边界和Rayleigh阻尼;然后,将所得计算结果与等效波阻抗理论解相比较,以验证模型的合理性;最后,分别考虑不同节理角度、厚度、间距、数目及入射波频率下的P波透、反射系数变化特征。结果表明:在节理倾向方位角β为0°~60°时,透射系数随β的增大而减小,而在β为60°~90°时随β的增大而增大;透射系数随入射波频率的增大而减小,反射系数反之。若定义节理间距与厚度的正比关系,则透射系数随节理间距的增加而增加,反射系数反之;此外,根据不同节理厚度下的节理数目与透(反)射系数关系曲线特征,定义图线中的包络线为临界透(反)射曲线,则在给定节理数目时,其透(反)射系数总大(小)于临界透(反)曲线上对应的透(反)射系数数值。

关键词：充填节理 P波透射系数反射系数

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随机粗糙充填节理对S波传播影响的数值研究

防灾减灾工程学报 2021年第2期41卷 385-393页

作者：刘斓李新平孙吉主刘婷婷武汉理工大学土木工程与建筑学院湖北武汉430070 武汉理工大学道路桥梁与结构工程重点实验室湖北武汉430070

充填节理对岩体的力学特性有着重要影响,节理面不规则引起的粗糙度使S波在节理岩体中的传播规律变得更加复杂。考虑节理接触面的随机粗糙度与充填材料的塑性变形,通过离散元方法对S波在充填节理岩体中的传播规律进行数值模拟,采用中线... 详细信息

充填节理对岩体的力学特性有着重要影响,节理面不规则引起的粗糙度使S波在节理岩体中的传播规律变得更加复杂。考虑节理接触面的随机粗糙度与充填材料的塑性变形,通过离散元方法对S波在充填节理岩体中的传播规律进行数值模拟,采用中线截距平均值与起伏均方根量化描述节理的随机粗糙度,分析了不同随机粗糙度下充填厚度与节理剪切强度对透射波形及透射系数的影响。结果表明,与平直节理不同,随机粗糙充填节理对不同入射波波幅下的S波传播规律影响更加明显。同一中线截距平均值下,节理起伏均方根越大,S波透射系数越大;同一节理起伏均方根下,中线截距平均值越小,S波透射系数越大。节理粗糙度对S波衰减规律的影响与充填厚度有着密切的关系。

关键词：充填节理随机粗糙度充填厚度 S波 UDEC

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不同充填厚度节理面剪切破坏宏细观机理研究

广西大学学报（自然科学版） 2019年第3期44卷 756-764页

作者：连莲张书博王扬王刚王浩山东科技大学土木工程与建筑学院

为了研究不同充填厚度下节理面的剪切破坏行为和强度特性,综合前人对充填节理的试验与理论成果,考虑天然岩体复合结构的不规则粗糙表面形态,对实验室制备的类岩石材料充填节理试件进行室内剪切试验,并采用数值方法进行模拟验证。对比实... 详细信息

为了研究不同充填厚度下节理面的剪切破坏行为和强度特性,综合前人对充填节理的试验与理论成果,考虑天然岩体复合结构的不规则粗糙表面形态,对实验室制备的类岩石材料充填节理试件进行室内剪切试验,并采用数值方法进行模拟验证。对比实验结果和模拟结果,从宏观和细观角度分析了充填节理的变形特性及破坏行为,研究了充填厚度对节理面剪切强度的影响关系。研究结果表明:在同一粗糙度下,不同厚度充填节理的破坏模式没有明显区别,主要表现为粘结面的破坏;在较小粗糙度下,充填节理的剪切峰值强度和残余强度均随着充填厚度的增加有一定程度的降低,但变化不大;在较小粗糙度和较小充填厚度下,试件沿与节理面起伏较大处成一定角度产生裂隙并逐渐贯通至试件底部,充填厚度增加,仍会产生裂隙,但不会贯通。

关键词：充填节理类岩石试件不同厚度破坏模式剪切强度

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昊锦塬煤矿含充填节理巷道围岩控制技术研究

昊锦塬煤矿含充填节理巷道围岩控制技术研究

作者：郭冠龙中国矿业大学

学位级别：硕士

对于地下工程岩体,节理在剪切过程中会因剪胀效应而受到周围岩体的约束作用,使节理面的法向应力增加,这反过来将抑制节理的剪胀效应,因此节理的剪切过程应视为在常法向刚度条件下进行。若节理被软弱岩土材料所充填,则充填节理往往成为... 详细信息

对于地下工程岩体,节理在剪切过程中会因剪胀效应而受到周围岩体的约束作用,使节理面的法向应力增加,这反过来将抑制节理的剪胀效应,因此节理的剪切过程应视为在常法向刚度条件下进行。若节理被软弱岩土材料所充填,则充填节理往往成为岩体最容易发生剪切滑移的位置,这将显著弱化节理岩体的抗剪强度。因此研究充填节理在常法向刚度条件下的剪切破坏特征对地下工程岩体稳定性的评价及控制有重要的理论意义。本文首先考虑了影响充填节理直剪试验的几个关键因素,在此基础之上用数值模拟方法实现了充填节理在常法向刚度条件下的直剪试验。通过设置数值对比试验,分析了常法向刚度和常法向应力条件下节理剪切力学行为的异同,并对比了充填节理和非充填节理在常法向刚度条件下的剪切破坏特征,结果表明充填节理的剪切破坏模式是由岩石、充填物和两者接触面的力学属性共同控制的,充填物的存在不仅降低了节理的剪切强度,同时还改变了节理的剪切破坏模式。通过数值模拟试验还研究了节理起伏度和充填度对充填节理剪切强度的影响,结果表明节理起伏度的增加能够提高充填节理的抗剪强度,而充填度的增加则会显著降低充填节理的抗剪强度,但当充填度大于1.0后充填节理抗剪强度主要由充填物的力学属性控制,此时其抗剪强度随充填度的变化很小。本文运用FLAC3D中桩单元的锚杆支护功能,模拟研究了锚杆对充填节理剪切强度的强化作用,并分析了节理充填度和锚杆安装角度对加锚充填节理剪切强度的影响,结果表明锚杆在剪切过程中为充填节理提供了额外粘聚力和额外法向力,使加锚充填节理的抗剪强度高于充填节理的抗剪强度,且当锚杆安装角度与试块滑移角度相差较小时,锚杆的抗剪性能能够得到充分发挥。在上述研究基础之上,本文采用数值模拟方法分析了含充填节理巷道围岩的变形破坏特征,并确定了节理充填度及其分布层位对巷道围岩稳定性的影响,根据所得到的规律提出了相应的巷道围岩控制技术。现场矿压观测结果表明,该控制技术能够保证巷道围岩的稳定性。

关键词：充填节理常法向刚度条件直剪试验锚固效应围岩控制技术

充填物对节理剪切力学特性及锚固机理影响的试验研究

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充填物对节理剪切力学特性及锚固机理影响的试验研究

作者：连莲山东科技大学

学位级别：硕士

工程岩体中的结构面大部分以充填节理的形式存在,在外部荷载作用下,充填节理面成为岩体的强度弱面,最易导致岩体沿此处剪切滑移至破坏,极大的威胁岩体结构的稳定性。因此,研究充填节理的剪切变形特征及锚杆的锚固作用效果,对岩体强度评... 详细信息

工程岩体中的结构面大部分以充填节理的形式存在,在外部荷载作用下,充填节理面成为岩体的强度弱面,最易导致岩体沿此处剪切滑移至破坏,极大的威胁岩体结构的稳定性。因此,研究充填节理的剪切变形特征及锚杆的锚固作用效果,对岩体强度评价和稳定性控制具有重要的实际工程意义。本文以充填节理为研究对象,考虑不同影响因素设计剪切试验方案,重点探究充填物厚度和节理面形态对其剪切强度和变形产生的力学效应;采用锚杆加固充填节理的方式,研究锚固作用下的力学响应。在颗粒流离散元程序中,利用Fish语言编程,实现充填节理及锚固系统在剪切过程中细观指标的实时监测,并实现细观演化的时间效应显示,以达到与物理试验的对照和宏细观层次的对比研究。1、综合考虑节理面形态和充填厚度两种因素,分析了充填节理的剪切力学效应,研究了三维各向异性结构面及标准JRC曲面平均起伏度计算方法。对节理锚固体系中锚杆在结构面处的受力进行了分析,重点研究了锚杆对节理剪切强度的强化机制,为充填节理锚固体系的剪切分析提供理论指导。2、对充填节理进行室内剪切试验,基于试验结果,对不同粗糙度、不同充填厚度对充填节理剪切的影响规律进行了分析总结。研究结果表明:充填节理的峰值剪应力整体随JRC值的增加而增大,随充填厚度的增加呈非线性降低趋势;充填节理剪切受结构面形态和充填厚度综合影响,当无充填或充填厚度小于结构面起伏时,峰值剪应力对结构面形态变化较敏感,而当充填厚度大于结构面起伏时,结构面形态不再是主要影响因素;JRC越小的结构面,只有较小的充填厚度影响其剪切强度的变化,随充填厚度的增加,剪切强度趋于一相对稳定值,JRC越大的结构面,充填厚度的变化对其剪切强度的影响越明显。3、通过无充填与充填节理的曲线对比分析发现:无充填节理的峰值剪切破坏趋向于瞬时破坏,结构面破坏瞬间应力降低,应变软化明显;而充填节理的峰值剪切表现为一个阶段,与充填物与结构面的相互作用有关,应变软化程度明显降低;充填节理剪切曲线表现出两种形式:单峰值型、双峰值型,其中双峰值型一般发生在结构面起伏较大的充填节理中。4、基于充填节理加锚剪切试验结果,分析了锚杆对不同充填厚度及不同JRC值的结构面的锚固效果。研究结果表明:施加锚杆后,充填节理的抗剪性能有一定程度的增加。随着充填厚度的增加,充填节理的加锚峰值强度降低,锚杆贡献值随厚度变化先增大后减小;当充填厚度小于结构面起伏时,锚杆发挥“销钉”作用,达到峰值剪应力时的结构面剪切位移明显增大,充填厚度大于结构面起伏时,锚杆抗剪阶段明显减小,抗剪性能无法得到充分发挥;随着JRC值的增大,锚杆对充填节理峰值强度的贡献值也略增大,而JRC越大的充填加锚试样剪切破碎程度越高,残余强度越低。5、利用颗粒离散元程序对充填节理剪切过程进行模拟,分析剪切过程中位移矢量、粒间接触力及裂纹演化规律,对比不同充填厚度下节理剪切细观破坏形态的差异。研究发现:充填节理的位移矢量变化在剪切前期很明显的受到充填物的影响,表现出以充填物为中心对称的弧形位移变化形式,剪切后期上下试件则表现出独立的位移特性;在压剪应力作用下,模型颗粒间接触力分布并不均匀,且随剪切过程不断调整,但主要表现为偏向剪切荷载施加端,在结构面较大凸起处出现接触力集中现象,并逐渐向结构面偏转;剪切裂纹首先在两端充填处产生,然后沿充填结构面向岩石内部发育,随着充填厚度的增加,初始裂纹增长速率增大,裂纹总数降低;随充填厚度增加,试样细观破坏以充填体的破坏为主,节理岩体的破坏程度降低,最终试样沿着结构面形成一条宏观剪切破碎带,从而失效。6、基于充填节理加锚剪切的数值模拟结果,从细观角度分析了加锚剪切过程中接触力的演化及细观破坏过程。研究发现:锚固体系的粒间接触力集中现象主要发生在结构面凸起处和锚杆周围,剪切初始接触力呈现中心对称的形式,随剪切位移的增加,接触力集中分布区域减小,并逐渐向锚杆与充填结构面相交处发展。通过细观破坏过程可知,锚固体系在外部剪切荷载作用下,主要破坏区域发生在结构面及沿锚杆长度方向,随着这些区域的发展,最终表现出充填结构面的破坏及局部节理岩体的破碎,锚杆最大变形区域发生在充填结构面处,充填厚度较大时,锚杆周围颗粒破坏相对减少,岩体破碎程度降低。

关键词：充填节理锚固效应剪切试验剪切力学特性颗粒离散元

考虑累积损伤效应的岩石充填节理动态力学特性试验研究

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考虑累积损伤效应的岩石充填节理动态力学特性试验研究

作者：王昊长安大学

学位级别：硕士

节理是天然岩体中存在最为广泛的地质构造,节理的存在会把岩体分割成不连续、不均匀的各向异性地质体,进而对岩体的工程性质造成显著影响。同时,由于岩体中节理间往往含有一定的充填物,导致岩体受到的影响因素增多,力学性质也更加复杂... 详细信息

节理是天然岩体中存在最为广泛的地质构造,节理的存在会把岩体分割成不连续、不均匀的各向异性地质体,进而对岩体的工程性质造成显著影响。同时,由于岩体中节理间往往含有一定的充填物,导致岩体受到的影响因素增多,力学性质也更加复杂。当地震、爆破以及冲击荷载产生的应力波在充填节理岩体中传播时,必然会造成应力波的振幅衰减、波速减慢、能量耗散等问题,极大地影响着应力波在岩体中的传播规律。节理岩体在往复地震、多次爆破等累积冲击动载作用下往往是一个动态的累积损伤破坏过程。节理岩体在多次累积冲击后,必然造成充填节理的损伤,从而导致岩体整体强度劣化,稳定性降低,加剧了应力波在节理岩体中的衰减。因此研究动静荷载作用和累积预冲作用下的充填节理动力特性及其累积损伤规律对提高诸多工程稳定性及安全防护具有重大意义。本文通过室内试验对人工充填节理的动静力学特性以及多次冲击条件下的累积损伤以及对动力特性的影响等问题开展了研究工作。首先,分别采用万能试验机和SHPB装置对充填节理的静态压缩和动态冲击作用下的力学特性进行研究;然后,基于充填节理的力学特性,采用自制的落锤冲击装置和波速仪分析了节理岩体累积冲击下的波速变化及损伤规律;最后,在此基础上再对累积冲击后的节理试样进行SHPB动态冲击试验,分析了考虑累积损伤效应的充填节理的强度变形特性、波动特性、能量耗散以及损伤演化等规律。研究成果表明:节理充填物强度和厚度对充填节理的静态和动态力学强度有控制性影响,而节理的破坏模式主要与充填物材料性质强度相关。充填节理中充填物阻碍了应力波的传递,主要体现在充填材料的强度变化和厚度变化引起的岩石试样波阻抗的改变。冲击压缩作用下的能量耗散比,随充填节理厚度的增大而减小,而随节理充填物强度的增大而增大,反映了使得充填节理产生破坏时候所需要的能量的变化。随着累积冲击次数的增加,累积损伤度呈现出非线性递增的规律,且建立了累积冲击作用下充填节理的损伤演化模型。随着累积损伤的增加,充填节理的动态峰值应力逐渐减小,动态峰值应变逐渐增大,表明了充填节理抵抗外部冲击的能力逐渐在减弱,在强度体现上是峰值应力减小,变形体现上是峰值应变增大变形增大,显示出其动态疲劳的特性。另外,累积损伤对充填节理动力学特性的影响规律也因充填厚度和充填材料的变化而改变。累积冲击作用对应力波在充填节理岩体中的传播有显著影响,随着累积冲击次数的增加,应力波在充填节理中传播的透射效应逐渐减弱,相应的反射效应在逐渐增强。

关键词：充填节理应力应变 SHPB（霍普金森压杆）动力特性能量耗散应力波传播累积损伤

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砂粒充填大理岩节理剪切强度试验研究

地下空间与工程学报 2019年第2期15卷 352-357页

作者：焦峰郭保华翟明磊程坦董航宇河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 煤炭安全生产河南省协同创新中心河南焦作454000

节理充填对节理力学性质具有重要影响,为研究砂粒充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS(RDS-200型)岩石剪切系统对4种粒径砂粒充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明:未充填节理剪切应力位移全程曲线可分为压缩阶段、弹性阶段、... 详细信息

节理充填对节理力学性质具有重要影响,为研究砂粒充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS(RDS-200型)岩石剪切系统对4种粒径砂粒充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明:未充填节理剪切应力位移全程曲线可分为压缩阶段、弹性阶段、屈服阶段、软化阶段和残余阶段,而充填节理剪切应力位移全程曲线则仅有压缩阶段和硬化阶段,表现出松砂剪切曲线特征;相同法向应力下,4种粒径砂粒充填节理峰值剪切应力明显降低。多层铺设3种较细粒径砂粒的充填对节理粘聚力和内摩擦角的影响基本相同,粘聚力和内摩擦角均降低,且粘聚力降低更为明显;单层铺设的最大粒径砂粒使节理的粘聚力降低,内摩擦角增加。研究结论对理解充填节理岩体稳定性具有一定帮助。

关键词：岩石力学充填节理直剪试验峰值剪切强度粘聚力内摩擦角