不同地应力下爆炸应力波在节理岩体中传播规律模型试验研究

 通过模型试验研究不同地应力下应力波在节理岩体中的传播规律,同时考虑节理数量的影响,并推导地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程。首先,通过导爆索产生爆炸应力波,监测不同位置的应力,研究地应力下节理岩体中应力波传播的衰减组成,并分析地应力以及节理数量对应力波衰减的影响,其次,考虑地应力对非线性节理模型的影响,结合时间递归分析法,得出地应力作用下应力波在多条非线性节理处的传播方程,并将计算结果与试验数据进行对比分析。研究结果表明,高地应力下,爆炸应力波在节理岩体中传播时,其衰减主要由岩石材料和节理两部分分别引起的衰减叠加组成,随着地应力增加,节理岩体对应力波的衰减增强,其中岩石材料对应力波的衰减作用加强,而节理引起的衰减减弱。     

静载对节理煤岩体动态力学特性和应力波传播的影响

为研究地应力和节理作用下煤岩体的动态力学特性和应力波传播规律,利用改造的动静组合加载SHPB装置,针对人工构造节理试样,研究不同静载(0,2,4,6和8 MPa)和不同节理吻合系数(JMC:0.8,0.9,1.0和无节理)煤样的动态力学特性和应力波传播规律。试验结果表明：随节理吻合系数减小,反射波振幅呈现增大趋势,透射波振幅呈现降低趋势;随着静载从0 MPa增大到8 MPa,不同节理吻合系数试样的透射系数均呈现增大趋势,且节理吻合系数越小,透射系数增加值越大,静载对低节理吻合系数试样的透射系数影响更为明显;峰值应力随静载增大而增大,而峰值应变反之;节理比刚度和动态模量均随静载增大呈现增长的趋势,表明静载的存在抑制节理煤岩体劣化作用。基于应力–应变关系和标准线性固体模型分析验证了试验结果,随静载和节理吻合系数增大,地震波品质因子增大,试样耗散能量减少。研究认为在地下工程中应更为重视节理和静载共同对应力波传递特性的影响。     

高地应力作用下岩石和地下硐室的动态力学行为和响应

采用基于FEM和连续损伤力学的RFPA数值模拟软件,首先从实验室尺度出发,建立了模拟的SHPB(split Hoplinson pressure bar)数值模型,分析了不同初始地应力作用下岩石材料的动态力学特性。数值模拟结果表明,岩石的动态压缩强度随着埋深与初始水平地应力与垂直地应力比值K的增加而增加。随后,从岩石工程尺度,考虑岩体内的不连续节理面的影响。建立动荷载作用下节理岩体地下洞室数值模型,系统分析了柱面波和平面波在节理岩体内部的传播规律以及节理力学性质和空间分布对地下洞室动态响应的影响。研究表明,除节理面处透反射和岩体损伤破坏导致的波衰减外,柱面波存在额外的几何衰减。同时,节理的力学性质与空间分布直接决定了应力波在节理面处的透反射规律,从而进一步影响了地下硐室的破坏程度与硐室壁处PPV(Peak particle velocity)结果。     

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。     

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。     

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。     

节理粗糙度对应力波传播的影响研究

考虑节理吻合程度,分析节理粗糙度对应力波传播和节理岩石力学特性的影响规律。使用分离式霍普金森压杆对预制节理试样进行冲击压缩试验,定性研究节理吻合程度对应力波传播的影响,采用投影覆盖法分析节理面,探究分形维数对应力波传播的影响规律。由劈裂试验获得粗糙节理面试样,2个标准试样组合得到光滑节理面试样。试验中控制子弹速度保证入射波的相同,得到以下结论:光滑节理试样的透射系数和等效刚度与完整试样相比衰减约2.1%,表明光滑完全吻合节理对应力波传播影响不大;节理吻合程度相同时,节理粗糙度越大(分形维数2.088～2.214),应力波穿越节理试样的透射系数和等效刚度越小,其中等效刚度近似呈线性减小,透射系数呈二次曲线减小;节理粗糙度相同(分形维数)时,节理吻合程度越小,节理应力波透射系数和试样等效刚度越小,表明节理吻合程度是应力波传播的重要影响因素。     

地下洞室连续围岩岩爆定量预测模型

根据能量平衡理论,推导了岩爆能量公式,定量分析了地下洞室连续围岩岩爆区位置、面积及碎块弹射速度的影响因素。研究结果表明,围岩水平应力与竖向应力比值小于1,岩爆区面积和碎块平均弹射速度随侧压力系数增大而减小,否则反之。岩爆区面积随岩体峰值荷载前后模量比率系数、岩石颗粒直径、裂隙密度和岩石断裂韧度增大而减小,随泊松比增大而增大。碎块平均弹射速度随颗粒直径、泊松比和岩体峰值荷载前后模量比率系数的增大而减小,随岩石断裂韧度的增大而增大,随裂纹密度的增加先增加后减小最终趋于稳定值。     

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。     

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。     

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。     

岩体尺寸效应及其特征参数计算

 岩体的尺寸效应包括完整岩块的尺寸效应与节理岩体的尺寸效应,但两者之间还缺乏有机联系。基于物理力学试验与细观参数统计分布理论,建立试样尺度的随机概率模型。通过统计宏观节理分布,建立包含随机分布节理的岩体尺度模型。将实验室获得的岩块强度应用于岩体的计算中,提出一种从细观层次、宏观层次的多尺度岩体工程计算方法,建立2种尺度效应的联系。最后,就非均匀性、围压与节理密度对岩石尺寸效应的影响问题展开探讨。随着均值度的增加,试样的特征尺度逐渐减小。随着围压的增大,岩体特征强度逐渐增大,而岩体力学参数的特征尺寸增大不明显。随着节理密度的增大,特征尺寸和相应的特征强度都是减小的。本方法试图建立细观与宏观力学参数之间的桥梁,获得岩体计算的力学参数,为解决工程岩体参数取值与计算提供一条思路。     

节理对砂岩变形及破坏特征影响研究

工程岩体一般都含有各种不同级别的地质构造节理和软弱面,使得岩体的强度弱化。含有节理的岩体和完整岩石具有完全不同的力学性质。本文在三轴压缩试验的基础上,对不同节理倾角的三峡库区砂岩开展研究,探讨其变形及破坏特征。试验结果表明:①在同种围压下,节理岩样峰值强度的大小关系为:σ_60°<σ_30°<σ_90°<σ_完整。②相同围压下,完整岩样弹性模量及变形模量均高于节理岩样,随着围压升高,岩样弹性模量和变形模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低。③在低围压下(＜5 MPa),节理倾角对岩样弹性模量和变形模量影响较大,相比完整岩样有较大幅度地降低,其中30°倾角和60°倾角岩样降低程度较高,弹性模量最高达31%,变形模量最高达40%;随着围压增大(大于10 MPa),节理倾角对岩样变形参数影响逐渐减小,相比完整岩样,节理岩样弹性模量降低幅度小于15%,变形模量降低幅度小于10%。④节理倾角和围压对岩石的破坏机制均有较大的影响,节理倾角及围压不同,岩样破坏形式不同。     

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。     

非线性法向变形节理对岩体电磁辐射传播 的影响研究

 为了明确非线性节理对岩体电磁辐射传播过程中强度的影响,从压电效应机制出发,给出含石英等压电介质岩体在应力波作用下所产生的电磁波与入射应力波之间的关系。并依据两者之间的关系及应力波在非线性节理面的透反射解,获得应力波作用下岩体电磁辐射强度变化与节理参数之间的关系表达式。同时,研究节理的变形和入射波频率对电磁辐射强度的影响。结果表明,在震源中心,电磁辐射强度最大,随传播距离发生衰减。电磁辐射强度随节理变形增大而增大;并且随着传播距离的增大,高频电磁信号衰减比低频信号衰减要快得多。     

卸荷损伤对节理岩体变形特性影响研究

节理岩体在加载与卸荷条件下,力学特性显著不同,现阶段对于节理岩体卸荷条件下的损伤特性研究较少,且未考虑不同卸荷程度对节理岩体力学特性的影响,基于此,本文开展含不同倾角预制节理岩体在不同程度卸荷损伤后重复加载试验,综合分析卸荷程度、节理倾角及围压对岩体变形特性的影响规律。研究结果表明:(1)岩样的峰值强度随着卸荷量的增加有不同程度的降低,卸荷程度较低时,对岩样极限强度影响较小,随着卸荷量逐渐增大,岩样极限强度降低程度增大。(2)围压较低时,岩样脆性跌落特征明显,随着围压的增高,岩样破坏后达到残余强度的变形开始增加,不同卸荷量造成的差异开始逐渐减小。(3)节理及卸荷量对岩样泊松比均有较大影响,节理岩样泊松比大于完整岩样,节理倾角为45°时,岩样泊松比最大;岩样泊松比随卸荷程度增加而增大,卸荷程度越高,泊松比增大速度越快。(4)节理岩体弹性模量与加载围压的大小、节理倾角以及卸荷损伤程度均有关系。随着围压的升高,岩样弹性模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低;卸荷程度越高,岩样弹性模量降低程度越大,对于含不同倾角节理的岩体,影响程度又不一样,其中含45°,60°倾角节理所受影响最大。     

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。     

低围压下脆性岩石单裂纹扩展与影响因素分析

为了探究低围压下脆性岩石单个裂纹扩展与影响因素,开展了混合片麻岩室内岩石力学基本实验,确定了Sheorey强度准则参数;利用岩石滑动裂纹模型和非局部线弹性理论,在综合分析裂纹尖端应力场包括非奇异应力项的基础上,建立了混合片麻岩单裂纹扩展USR判据。理论分析认为:脆性岩石单个裂纹扩展过程分为缓慢、中等和加速3个阶段,并且裂纹逐渐向最大竖向压力方向扩展;影响因素分析表明:(1) 随着裂纹摩擦系数和裂纹倾角增大,竖向应力随着裂纹扩展而增大;(2) 当侧压力为拉应力时,竖向应力随着裂纹扩展而减小;当侧压力为压应力时,随着测压力系数增大,竖向应力随着裂纹扩展而增大;(3) 随着初始裂纹长度增大,竖向应力随着裂纹扩展而减小。     

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。     

基于能量法测量节理岩体品质因子的实验研究

品质因子是衡量岩体中应力波衰减特性的一个重要参数。利用分离式霍普金森压杆实验系统对含人工节理花岗岩试样进行单轴冲击压缩实验,研究节理吻合系数(JMC)对岩体试样品质因子的影响。首先,根据品质因子基本概念得出了利用应力波能量计算品质因子的方法,并证明在试样严格满足应力均匀条件时,其与应力–应变曲线方法是等价的。然后,用三波法得到了节理试样的应力–应变曲线,同时用应力波能量方法计算了品质因子。实验结果表明:随着节理吻合系数(JMC)降低,应力–应变曲线滞回环面积增加,节理岩体试样的动态割线模量和品质因子均减小,说明节理接触面积减小弱化了整个试样并且使试样能量耗散能力增加。