分形截距对应力波能耗影响规律的试验研究

 分别进行粗糙断裂面的扫描试验和节理花岗岩的冲击动力学试验,探讨节理面的几何构型特征及其对应力波能耗的影响规律,建立当分形维数满足条件2.0≤D≤2.2时分形截距与应力波穿越节理时截距贡献能耗比之间的定量关系。研究结果表明,当分形维数在区间2.0≤D≤2.2时,分形维数对总能耗比的贡献仍然占绝对的主导地位,但此区间内分形维数对总能耗比贡献是一常量,总能耗比的增量由分形截距决定。节理岩石的截距贡献能耗比随分形截距的增大而减小,两者间呈非线性关系;机制分析显示,分形截距大,则对应剪切刚度大,在相同的冲击荷载条件下,剪切位移则相应较小,冲击过程所做功则较小,耗散的应力波能量也相应越小。从微观角度看,节理岩石的分形截距大,冲击加载工程中,发生微小塑性变形、断键、分子间撞击的几率将大大降低,因而耗散的应力波能量也越小。     

非线性节理模型对应力波传播影响的数值分析

 为验证离散元软件UDEC模拟P波在含有一组非线性节理岩体中传播的有效性,采用UDEC中内置的非线性节理模型计算2个算例,并与已有的理论结果进行对比,吻合较好。其次,从角度和间距2个方面讨论对称交叉节理对应力波传播规律的影响。结果发现,与平行节理相比,相同角度和间距下交叉节理对应力波的衰减作用更大,夹角越大,透射系数越小,间距对透射系数的影响与平行节理有相似的趋势。最后,对P波在含有交叉节理区域的岩体中的传播规律的影响因素进行参数分析,分析的参数包括节理与应力波传播方向的夹角?,2组节理的夹角?,2组平行节理间距S1,S2以及区域宽度L等。结果表明,?与?对透射系数的影响存在区间性。交叉节理的间距对P波的传播影响与平行节理有类似的规律。此外,随着节理区域宽度的增加,透射系数大幅度减小后,减小速度变缓,采用反比例程式对结果进行拟合,结果较好。     

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。     

应力波在充填节理岩体中传播规律的数值研究

通过离散元数值模拟对应力波在含一组平行充填节理岩体中的传播规律开展研究,并应用等效介质模型对应力波在含多条小间距充填节理岩体的传播规律进行分析。首先,通过数值模拟结果与理论结果的对比,验证UDEC模拟应力波在单个充填节理处的传播规律的可行性。然后将UDEC模型进行扩展研究应力波在含一组平行充填节理的岩体中的传播规律,并对充填厚度、节理间距、节理数量展开参数分析。研究发现,随着充填厚度的增加,对于不同的节理间距和数量,透射系数均减小,而节理数量对透射系数的影响与节理间距有关。存在2个临界值将节理间距对透射系数的影响规律划分为3个不同区间,当节理间距足够大时,透射系数趋于稳定,且稳定值与节理数量呈指数函数关系。最后,当节理间距较小时,采用一维等效介质多条充填节理进行分析,并对入射波频率、充填材料特性、充填厚度以及节理数量展开了参数分析对比,结果表明一维等效介质可用于简化应力波在多个小间距的充填节理中的传播计算。     

接触面积对波传播规律及节理力学特性影响

自然界中节理的接触往往不是完全接触,而是部分接触。为考虑节理表面的接触面积对应力波传播规律的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置对不同接触面积的试样进行冲击试验。由于接触面积模拟的难操作性,试验中,采用不同数量的小试样定义小试样的横截面积和与入射杆(透射杆)横截面积的比为接触面积率。通过试验研究接触面积对应力波透射率的影响。基于应力波一维传播理论分析作用在试样上的应力,以及试样在应力波的作用下产生的应变与位移。试验结果表明:随着接触面积的增加,应力波的透射系数增加,且两者呈现非线性关系。当接触面积相同时,随着试样长度的增加,应力波的透射系数会出现小幅度减小,即当节理具有相同的接触面积时,节理的厚度将会影响应力波的传播。此外,随着节理的闭合量的增加,透射系数呈现出近似线性形式的减小。这个试验并不能模拟真实的节理,但是主要是从另一个角度来说明节理的接触面积对波传播以及对节理力学特性的影响。     

JMC对应力波透射系数和节理比刚度影响的实验研究

 节理对岩体的动态力学特性有重要影响。采用改进型霍普金森花岗岩压杆(SHPB)实验设备,研究一维应力波在花岗岩人工节理处的传播规律,进而分析节理的动力学特性。通过切割工艺在花岗岩试样表面形成人工节理,使其具有不同的节理吻合系数(JMC)。采用两点式波分离方法处理实验数据,得到节理处的入射波,以及节理产生的反射波和透射波,进一步计算得到应力波传播通过节理的透射系数。基于SHPB实验的基本原理,得到节理的闭合量和作用在节理上的压力之间的关系,从而分析出节理的比刚度。该实验分析节理吻合系数对波传播的影响,进而研究节理吻合系数对花岗岩节理动态力学特性的影响。     

节理接触面对应力波传播影响的SHPB试验研究

为探讨岩体的节理接触面积对应力波传播规律的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置开展试验研究,分析不同接触面积比的节理的动态力学特性以及节理的接触面积几何分布对应力波传播特性的影响。人工切槽的岩块与完整岩块组合得到不同接触面积比的节理岩块作为试样。通过一系列的实验,得到以下的结论:节理的接触面积比、接触面积分布和冲头冲击速率不仅影响节理岩块的动态力学特性而且影响应力波的传播。应力波的透射系数与冲头冲击速率、节理面大小及相对密集度(即接触面分布离散和接触面分布紧凑)有关;当节理接触面的几何相对密集度一定时,应力波透射系数随着节理接触面积比的增大呈线性增长,且透射系数随冲头速率的增大而增大;此外,相对于节理接触面积小但分布离散的岩体,应力波通过接触面积大、分布紧凑的节理的衰减更为明显。     

节理接触面对应力波传播影响的SHPB试验研究EI北大核心CSCD

为探讨岩体的节理接触面积对应力波传播规律的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置开展试验研究,分析不同接触面积比的节理的动态力学特性以及节理的接触面积几何分布对应力波传播特性的影响。人工切槽的岩块与完整岩块组合得到不同接触面积比的节理岩块作为试样。通过一系列的实验,得到以下的结论:节理的接触面积比、接触面积分布和冲头冲击速率不仅影响节理岩块的动态力学特性而且影响应力波的传播。应力波的透射系数与冲头冲击速率、节理面大小及相对密集度(即接触面分布离散和接触面分布紧凑)有关;当节理接触面的几何相对密集度一定时,应力波透射系数随着节理接触面积比的增大呈线性增长,且透射系数随冲头速率的增大而增大;此外,相对于节理接触面积小但分布离散的岩体,应力波通过接触面积大、分布紧凑的节理的衰减更为明显。     

节理粗糙度及吻合状态对岩体动态压缩特性影响的试验研究

节理粗糙度及吻合状态不仅直接影响节理力学性质,也对岩体的动态压缩性质有重要影响。首先采用水泥砂浆材料浇制不同粗糙度的完全吻合和不吻合节理岩体试样,然后使用分离式霍普金森杆系统对所制试样进行冲击试验研究节理岩体的动态压缩性质,同时利用高速摄像机及数字图像相关方法进行观测和计算去探究节理岩体动态破坏过程。结果表明:(1)给定冲击荷载下,节理面粗糙度对完全吻合型节理试样的动态压缩强度和平均模量影响不大,但对不吻合型节理试样影响较大;(2)不吻合型节理表现出非线性动态压缩闭合特点,其闭合特性不仅受到节理面粗糙度的影响,而且与节理的具体形貌特征相关;(3)应力波在通过完全吻合型节理岩体的能力时受到节理面粗糙程度的影响不大,而不吻合节理岩体试样则表现出随着JRC增大而增大的趋势;(4)节理岩体破坏与节理面的不规则凸起有关,节理壁凸起与应力波的相互作用引起节理面凸起处出现应力集中效应。拉应力引起张拉裂纹,而后裂纹扩展,直至贯通,岩体发生劈裂破坏坏。     

节理岩石的应力波动与能量耗散

应用SHPB试验和分形方法研究节理岩石的应力波动与能量耗散关系，分析节理面不规则结构对应力波穿越节理时的波动性质、非弹性变形和能量耗散的影响。研究结果表明：节理面不规则结构明显地影响应力波的传播性质。在相同入射波条件下，粗糙节理岩样的应力波衰减程度大于平直光滑节理岩样的衰减程度，粗糙节理的实际变形大于平直节理的变形。节理岩石的能量耗散比WJ/WI随节理面分维值D增大而增加，两者呈非线性关系；但当分维值小于临界值时，粗糙节理岩样的能量耗散比WJ/W与平直节理面的能量耗散比基本相同，并给出节理岩石能量耗散随节理面分维值D变化的表达式。     

基于三单元模型分析P–波在充填结构面处的传播规律

考虑含充填软弱结构面的接触界面与充填材料的共同变形,提出三单元模型描述充填结构面。结合特征线法,推导建立一维P–波在含充填结构面岩体中的传播方程,并与已有理论进行了对比验证,然后展开了入射波频率、接触界面刚度、充填厚度以及充填材料属性对应力波传播规律的参数讨论。最后,基于应力–应变均匀假定,将厚度较薄的充填结构面等效于无厚度位移不连续模型,较厚的充填结构面等效于位移连续的软弱夹层,通过分析等效节理的刚度和等效夹层的弹性模量,反推得到充填结构面的法向变形特性的影响。研究结果表明,采用三单元描述充填结构面是可行的,同时接触界面刚度、充填厚度以及充填材料属性三参数对透射系数均存在一个阈值,当参数值大于该阈值时,其对透射系数的影响较小。透射系数与接触界面刚度和充填材料的波速正相关,而与充填厚度呈负指数函数关系。等效刚度和等效弹模均随着接触界面的刚度增加而增加。随着充填材料的波速增加,等效刚度迅速增加后趋向稳定,稳定值与充填厚度以及接触界面刚度密切相关。     

基于三单元模型分析P–波在充填结构面处的传播规律EI北大核心CSCD

考虑含充填软弱结构面的接触界面与充填材料的共同变形,提出三单元模型描述充填结构面。结合特征线法,推导建立一维P–波在含充填结构面岩体中的传播方程,并与已有理论进行了对比验证,然后展开了入射波频率、接触界面刚度、充填厚度以及充填材料属性对应力波传播规律的参数讨论。最后,基于应力–应变均匀假定,将厚度较薄的充填结构面等效于无厚度位移不连续模型,较厚的充填结构面等效于位移连续的软弱夹层,通过分析等效节理的刚度和等效夹层的弹性模量,反推得到充填结构面的法向变形特性的影响。研究结果表明,采用三单元描述充填结构面是可行的,同时接触界面刚度、充填厚度以及充填材料属性三参数对透射系数均存在一个阈值,当参数值大于该阈值时,其对透射系数的影响较小。透射系数与接触界面刚度和充填材料的波速正相关,而与充填厚度呈负指数函数关系。等效刚度和等效弹模均随着接触界面的刚度增加而增加。随着充填材料的波速增加,等效刚度迅速增加后趋向稳定,稳定值与充填厚度以及接触界面刚度密切相关。     

节理特性对应力波传播及爆破效果的影响规律研究

建立节理岩体一维分析模型并进行量纲分析,探讨节理特性对应力波传播规律的影响。单节理时,应力波通过节理后出现了明显的延时和振幅衰减,但主频无明显变化;多节理时,随着节理间距及节理数量的增加,透射应力波幅值均有所降低,且节理岩体等效波速随着节理数量的增加而线性减小。采用连续–非连续单元方法(CDEM),探讨节理强度、节理刚度、节理刚度/强度、节理间距、节理倾角等参数对爆破效果的影响规律,并通过平均破碎尺寸、极限破碎尺寸、大块率、系统破裂度及等效损伤因子等指标进行综合评价。计算结果表明:爆破效果随着节理强度(刚度)的降低而逐渐变差,当节理的强度(刚度)达到岩块强度的1/1 000后,更低的节理强度(刚度)对爆破效果的影响不大;当节理强度和刚度取为岩块的1/1 000时,节理间距越密集,爆破效果越差,但节理倾角对爆破效果的影响不大。节理岩体中爆破时,爆破能量被圈闭在炮孔与附近的节理面之间,导致炮孔附近区域过于破碎,而远离炮孔的区域破碎较少;因此,爆区内节理的发育程度与爆破效果之间存在负相关关系。     

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。     

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。     

地应力下柱面应力波在节理岩体中传播规律研究

考虑地应力对柱面应力波在完整岩石中传播的物理及几何衰减,及与节理相互作用关系的影响,推导出地应力下柱面波在节理岩体中的传播方程。同时开展模型试验,对不同地应力下柱面波在完整岩石及节理岩体中的传播及衰减规律分别进行研究,并将试验与理论结果进行对比分析。研究结果表明:柱面波在完整岩石中的物理衰减随着围压增加先减小后增大,当侧压力系数改变时,柱面波物理衰减的变化与差应力大小有关;柱面波在节理岩体中的透射系数与节理角度和柱面波在节理及完整岩石中的衰减有关,无围压时透射系数随着节理角度增大而减小,存在围压时透射系数的变化规律则相反。随着围压或侧压力系数增加,透射系数呈现出先增大后减小的趋势;不同围压下柱面波在节理岩体中的透射系数理论与试验值较为一致,验证了所推导出的传播方程的合理性。     

应力波入射黏弹性节理的传播特性研究

应力波传播特性的研究是进行工程动态稳定性评价的基础。依托柱状节理玄武岩开挖爆破试验,考虑节理岩体的蠕变和应力松弛特性,提出了黏弹性节理的等效标准线性固体模型,采用"位移不连续理论",获得了应力波入射黏弹性节理的传播方程,并探讨了应力波入射黏弹性节理的传播规律。透射系数随入射波频率的增大而减小,而反射系数整体上呈现出随频率的增大而增大的趋势。在临界入射角内,随入射角度增大,转换波(T_(sp),T_(ps),R_(sp)和R_(ps))均先增大后减小且转换波的透射系数(T_(sp)和T_(ps))最小,反射同类型波(R_(ss)或R_(pp))先减小后增大,透射同类型波(T_(ss)或T_(pp))则基本没有变化;应力波在节理处发生了复杂的能量转移,随入射角度增大,反射同类型波和反射转换波之间能量此消彼长并在某一角度附近几乎同时达到极值,同类型波的部分能量转移到转换波,但其能量仍远高于转换波。     

节理接触面积比对压缩波传播影响的动光弹实验研究

岩石节理是影响地下工程安全的重要因素之一,并且显著影响应力波的传播。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)设备和光弹设备,开展压缩波垂直入射下节理内部应力集中现象以及波传播特性的无损观测研究。为降低加载杆波阻抗,分离式霍普金森压杆(SHPB)设备的入射和透射杆均采用聚碳酸酯材料。首先,基于改进型SHPB设备,对不同接触面积比的平板型聚碳酸酯节理试样进行压缩波加载实验。根据黏弹性波传播理论和能流密度概念,对动光弹实验图像及波传播特性进行研究。最终,得到不同节理接触面积比及不同节理分布情况下,透射波能流密度与节理附近应力集中现象的内在联系。研究结果表明:随着接触面积比的减小,压缩波透射系数随之减小,透射波能流密度增加,节理附近应力集中现象增加;当接触面积比相同时,随着节理分布的离散程度越高,压缩波透射系数呈现增大的趋势,此时,透射波能流密度增加,节理附近应力集中现象减弱;在动态荷载的作用下,节理附近出现应力集中现象,透射波能流密度与节理附近应力集中现象存在密切的相关性。     

模型参数对3DEC动态建模的影响

与其他数值软件一样，用三维离散元程序（3DEC）模拟虑力波在节理岩体中的传播和衰减时，模型参数对模拟结果有很重要的影响。用3DEC对2个例子进行模拟分析：（1）一维正弦波在无节理的有限长岩杆中的传播；（2）一维正弦波在含一节理的有限长岩杆中的传播。探讨了单元网格尺寸、边界条件、节理刚度、节理本构模型和节理有无抗拉强度等对3DEC动态模拟结果的影响。研究结果表明：（1）单元尺寸对计算精度和计算耗时有很太影响；（2）粘性边界条件基本上可消除应力波在自由边界上的反射；（3）节理法向刚度和节理有无抗拉强度对应力波的传播有重要影响，透射系数随法向刚度的增大而增大，而反射系数则因压缩波和拉伸波而不同，压缩波的反射系数随法向刚度的增大而减小，当节理无抗拉强度时，拉伸波的反射系数与法向刚度无关；（4）连续屈服模型对透（反）射系数的影响与无抗拉强度的常刚度模型相似。     

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。