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断续节理岩体对应力波传播规律影响的研究

断续节理岩体对应力波传播规律影响的研究

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作者：方昭东南大学

学位级别：硕士

自然界岩体内含有大量如褶皱、节理、裂隙和断层等不连续结构面。这些不连续结构面的存在破坏了岩体的完整性,极大的影响着岩体的强度、变形和稳定性。岩体中节理的存在常常会导致岩体内结构面张开、闭合和滑移,对岩体结构的稳定性有很... 详细信息

自然界岩体内含有大量如褶皱、节理、裂隙和断层等不连续结构面。这些不连续结构面的存在破坏了岩体的完整性,极大的影响着岩体的强度、变形和稳定性。岩体中节理的存在常常会导致岩体内结构面张开、闭合和滑移,对岩体结构的稳定性有很大的损害。应力波在通过节理面时会发生反射和透射,进而导致应力波波幅衰减,波速减慢。研究节理岩体对应力波传播规律的影响十分必要。岩体节理分为贯通节理和断续节理,目前学者就节理岩体对应力波传播影响研究的对象多为贯通节理,对断续节理的研究多为分析断续节理岩体变形和强度特性,关于断续节理岩体对波传播影响的研究甚少,鉴于此,本文将研究断续节理对应力波传播规律的影响。超声实验因其稳定性好、安全、环保,故本研究采用RSM-SY6超声波检测仪进行超声试验。本研究主要考虑节理贯通率、节理数量对波传播的影响。研究内容如下:首先,采用RSM-SY6超声检测仪对一条不同贯通率(分别为0.4,0.5和0.75)断续节理试样以及无节理试样进行超声实验。通过对透射波形及频谱幅值图进行分析,研究节理贯通率对波速、波幅、主频及波透射系数的影响规律。实验结果表明,应力波通过一条断续节理时,波幅与波速均发生衰减,波幅与波速均随节理贯通率的增加而减小。透射系数与节理贯通率呈负相关,且透射系数随贯通率的增加而减小的趋势减弱。其次,对相同贯通率(0.5)不同数量(1条,2条和3条)断续节理试样以及无节理试样进行超声实验。通过对透射波形及频谱幅值图进行分析,探讨节理数量对波传播的影响规律。实验结果表明,断续节理数量(不小于1条)对波速的影响极小,甚至无影响。波幅随节理数量增加而减小的趋势减弱。最后,超声实验在试样养护14天与养护28天进行,通过对相同试样在两次不同养护时间的实验结果进行比较,探讨养护时间对波传播结果的影响。结果发现,不同数量、贯通率断续节理以及无节理试样在养护28天实验得到的初始波波幅与波速均大于养护14天对应结果。

关键词：波传播贯通率节理数量超声波实验

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应力波斜入射岩石节理的透反射规律研究

应力波斜入射岩石节理的透反射规律研究

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作者：王大鹏东南大学

学位级别：硕士

自然界的岩体内包含了大量的如节理、断层、层面等不连续结构面,这些不连续结构面使得岩体的力学性质与岩石有很大差异。研究表明,节理的力学特性对岩体强度以及稳定性有着至关重要的影响。在过去的几十年中,岩石力学、地球物理、地震... 详细信息

自然界的岩体内包含了大量的如节理、断层、层面等不连续结构面,这些不连续结构面使得岩体的力学性质与岩石有很大差异。研究表明,节理的力学特性对岩体强度以及稳定性有着至关重要的影响。在过去的几十年中,岩石力学、地球物理、地震工程的科研工作者对应力波入射节理岩体的各种情况进行了大量的理论和实验研究。现在的研究大多局限于一维状态下应力波垂直入射的情况,而自然界中倾斜入射的状况才是更为常见和普遍存在的。应力波倾斜入射节理岩体时,需要考虑节理的剪切变形特性。应力波倾斜入射一组平行节理时还涉及节理间的复杂反射,这些内容具有重要的研究价值,但是给相关的实验设计和数据采集带来了巨大的困难。考虑上述因素,基于其他科研工作者的相关理论分析,作者通过实验室二维物理模型超声试验,研究应力波倾斜入射一组线弹性节理时,节理数量和节理间距对应力波衰减规律的影响。随后,作者设计了不同节理起伏度的试样并与其他研究人员的理论研究作对比,尝试研究高应变率下应力波以不同角度入射后岩体的破坏规律。岩体结构的稳定性评估通常是基于应力、位移、速度、加速度等临界值做出的。在超声波作用下节理变形处于弹性状态,同时,由于超声波频率较高,节理间距和波长的比值较大,因此超声实验主要关注应力波幅值衰减以及波速的变化,对高应变率非线性变形状态的节理则主要关注其破坏强度。当超声波入射一组节理时,时域结果具有更高的精确度,但可能受到试样与测量仪器耦合及边界的反射波的影响,实际测得的时域内数据在某些情况下是复杂叠加后的结果,因此使用频谱分析的方法对时域透射波进行处理,剥离出未经叠加的频域初始波,在频域范围内分析应力波透射规律,本文将同时在时域及频域内对应力波倾斜入射节理后的幅值衰减进行计算分析。超声波倾斜入射节理岩体时,节理变形保持弹性状态,但是在地震、冲击荷载、爆炸作用等高应变率动力问题下,岩体发生破坏,超声模型的试验结果不再适用,作者设计不同节理起伏度试样,主要关注冲击荷载下节理岩体的破坏强度,通过测量多组不同节理起伏度试样破坏强度积累以插值法评估任意不规则单节理面的基础数据,并将其应用于工程中常见的应力波倾斜入射节理的实践中。本次超声实验通过时域与频域的分析结果,证明了应力波倾斜入射一组平行节理时,应力波幅值随着节理数量的增加而减小,随着节理间距的增大,应力波幅值先增大后减小,本次实验还揭示了根据初始波持续时间来推断特定岩体内节理分布情况这个具有重要实践意义的结论。本次实验的结果与一些学者使用等效介质法、虚拟波源法的理论解有较高的吻合度,验证了等效介质法和虚拟波源法研究应力波倾斜入射一组平行节理的可行性,同时,对于节理起伏度的创新性研究,可以给其他科研工作者一些启发。

关键词：斜入射节理数量节理间距节理起伏度

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恒定法向刚度边界条件下平行多粗糙节理剪切特性数值模拟研究

恒定法向刚度边界条件下平行多粗糙节理剪切特性数值模拟研究

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作者：吴家红绍兴文理学院

学位级别：硕士

岩石节理的剪切滑移是工程岩体中常见的破坏模式,因此节理的剪切特性一直是岩石力学领域的一个重要研究课题。对于大多数地下工程,岩体节理剪切破坏受围岩约束,法向应力随法向位移的增大而增大。因此,恒定法向应力(CNL)边界条件不再适用... 详细信息

岩石节理的剪切滑移是工程岩体中常见的破坏模式,因此节理的剪切特性一直是岩石力学领域的一个重要研究课题。对于大多数地下工程,岩体节理剪切破坏受围岩约束,法向应力随法向位移的增大而增大。因此,恒定法向应力(CNL)边界条件不再适用,应采用恒定法向刚度(CNS)边界条件。目前,对单节理剪切特性的研究已经非常成熟。然而,天然岩体中的节理往往不能单独存在,多个节理之间的相互作用对岩体的力学性质有重要影响。因此,本文利用离散元软件UDEC,系统地开展了岩石单节理、双节理、多节理剪切特性的数值模拟试验研究。取得的研究成果如下:(1)利用UDEC软件,选用连续屈服(CY)节理模型作为本构模型,构建CNL及CNS边界条件下的平直单节理直剪模型,开展节理各参数对剪切特性的影响,揭示两种边界条件下节理剪切力学特性的差异,并对该数值模拟方法进行了室内实验验证。(2)采用Hurst指数独立分割法构建5种不同粗糙度的随机形貌岩石节理。以生成的粗糙节理面为研究对象,基于正交试验方法,选取粗糙度系数(JRC)、初始法向应力、法向刚度3个因素,每个因素分别设立5个水平,确立25种试验方案,开展一系列CNS边界条件下岩石单粗糙节理剪切特性的数值模拟研究,得到各因素对岩石节理初始剪应力峰值、岩石节理法向位移、峰值表面阻力指数和法向应力的影响程度,建立峰值表面阻力指数与节理粗糙度系数和初始法向应力之间的经验关系式。(3)开展了CNS边界条件下岩石双粗糙节理剪切效应的数值模拟研究,探究了JRC及节理间距对剪切效应的影响。对于相同的JRC,随着节理间距的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈逐渐增大趋势。对于相同的节理间距,随着JRC的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈线性增大趋势。(4)在上述研究的基础上,进一步开展了岩石平行多粗糙节理在5种不同JRC和5种不同节理数量下的剪切数值试验,对于相同的JRC,随着节理数量的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈逐渐减小趋势。对于相同的节理数量,随着JRC的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈线性增大趋势。

关键词：恒定法向刚度粗糙度节理间距节理数量剪切特性

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