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块系岩体摆型波的传播规律研究

姜宽  
【摘要】:岩体是具有离散性和非均匀性特征的复杂地质体,随着人类地下开采深度的增加发现了一种新的岩体动力学现象——摆型波现象。摆型波在岩体中低频低速传播且携带大量能量,极易引发岩爆、冲击地压等深部岩体工程灾害。本文针对块系岩体的非均匀性、双模量特性以及摆型波的低频特性,基于岩体等级块系构造理论和弹簧-块体模型,推导了一维和二维块系岩体的动力学方程,并利用MATLAB软件对动力学方程进行求解。研究了具有非均匀性和双模量特性的块系岩体中摆型波的传播规律和频域特性,并对二维块系岩体中摆型波的传播规律进行了研究。主要研究成果如下:(1)对于具有非均匀性特性的块系岩体,当局部软弱夹层弹性系数减小时,与该部分相连接的块体的动力响应受弹性系数变化的影响较大,出现加速度峰值增大的现象;不同区域的夹层弹性系数或粘性系数发生变化,对块系岩体摆型波传播的影响是类似的,但影响的程度是不一样的。发生粘弹性变化的夹层位置越靠前,对块系岩体动力响应的影响越强烈。(2)对于具有双模量特性的块系岩体,拉压模量比对块体正向位移幅值影响不大,而对负向位移幅值具有较大影响;负向位移幅值随着拉压模量比的增大而增大,传统的线性计算方法偏于危险;随着拉压模量比的减小,加速度响应出现摆型波的“成簇”现象。因此要改进传统巷道支护方式,考虑支护结构的抗冲击性能和抗疲劳性能。(3)随着拉压模量比的减小,块体的频域响应峰值点的数量明显增加,频谱密度峰值点的幅值减小且峰值点出现的位置向低频移动,双模量块系岩体摆型波的低频特性表现的更加明显。(4)系统固有频率与频域响应峰值点频率具有对应性,通过系统频域响应可以反演具有双模量特性的非线性系统的固有频率,为计算和测量非线性系统的固有频率提供了一种新的思路。(5)二维块系岩体中某一块体的加速度响应随时间快速衰减,而块体的位移响应衰减较慢;在无限空间二维块系岩体中块体的位移以正向位移为主,负向位移幅值较小,但确实已经发生了在原来位置的往复振动;施加冲击荷载的区域附近的加速度和位移幅值比较大,加速度和位移幅值均沿着块体数近似呈指数形式衰减。(6)在二维块系岩体中,块体的加速度衰减速度不仅与夹层的粘性系数有关,还与块体之间的弹性系数有关。块体间夹层的弹性系数越小、粘性系数越大,块体的加速度衰减速度越快。夹层的粘弹性性质对摆型波在二维块系岩体中的传播和衰减具有重要影响。


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