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不同地应力下应力波在粗糙节理处的传播规律研究

刘斓  
【摘要】:节理对岩体强度特性与变形特性均有重要影响。地应力作用下深部岩体节理表现为闭合隐性特征,在地震、爆炸等荷载作用下会产生张开与滑移,对岩体的稳定性极为不利。考虑天然节理粗糙性,本文结合数值模拟与理论分析方法,研究了应力波在不同地应力下粗糙节理处的传播规律,具体研究工作如下:(1)通过与理论对比,验证了采用离散元软件UDEC模拟剪切波在充填节理处传播的可行性,采用中线截距平均值S_m和起伏均方根R_q生成不同粗糙程度的节理,对S波垂直入射粗糙充填节理的影响参数进行了数值研究。发现节理粗糙度对透射系数的影响与充填厚度密切相关,其中节理起伏均方根R_q的影响更大。当考虑充填材料的破坏时,发现在平直充填节理出现滑移后,透射波波幅与充填节理的强度有关,而与入射波波幅无关。(2)考虑地应力的影响,基于时域递归分析法,分别采用节理连续屈服模型(CY模型)与节理BB模型推导了S波与P波入射非线性节理的波动方程,所得理论解与UDEC模拟结果具有较好的一致性。(3)基于节理CY模型,通过UDEC对节理刚度、粗糙度、入射波波幅及频率等参数对S波在深部节理处传播规律的影响展开了研究。发现随着节理切向刚度、粗糙度及地应力的增大,透射系数均增加;侧压力系数对透射系数的影响具有阶段性,当侧压力系数不大于1时,透射系数随着侧压力系数的增加而增加,而当侧压力系数超过1,透射系数随着侧压力系数的增加而减少。当考虑节理的非线性及塑性变形特征时,应力波衰减规律受到波幅及地应力的综合作用。当地应力足够大时,应力波传播规律与入射波波幅基本无关。(4)基于BB节理模型,考虑了节理刚度、入射波波幅及角度等参数的影响,研究了不同地应力下P波斜入射一组平行非线性粗糙节理的传播规律。发现节理越粗糙,初始法向刚度越大,P波在节理处的衰减越小;透射系数随着侧压力系数增加而增加,且当侧压力系数大于1时,增加幅度减小。入射角度的影响对地应力有着较大的依赖性。当地应力较小且入射波波幅到达某特定值前,随着波幅的增加,透射系数增加,且地应力越小,增加幅度越大。而当地应力大于30MPa后,入射波波幅对应力波衰减规律的影响可以忽略。


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