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节理岩体中应力波传播的动力特性研究

宋林  
【摘要】:岩体中应力波的传播和衰减是地下岩体工程领域一个十分复杂且非常重要的的课题,大型地下结构工程都与应力波或冲击荷载作用下的岩体失稳和应力波在节理岩体中的传播息息相关,该课题已成为岩土工程界热门的前沿课题之一。众所周知,节理广泛存在于地下岩体中,同时影响或控制着岩体的力学性能和动力特性,在大多数地下工程问题中居支配控制地位,考虑节理等结构面的影响是有效解决岩体工程问题的必要途径。首先,本文探讨FLAC3D数值软件模拟一维波在节理岩体中传播规律的方法,并论证其可行性;进而,由于节理岩体中二维波的传播复杂性,基于结合波前动量守恒理论和位移不连续方法的时域分析新方法,分析扩展应用于应力波在单个非线性节理、张开节理和多个非线性节理中传播的研究中,运用数学、力学理论推导方法和数值模拟,系统地研究单个节理、多个节理、张开节理和非线性因素对应力波传播的影响规律,获得了一些新的理论方法和研究成果。基于现有文献总结出节理的非线性主要表现为:闭合节理变形的非线性特性、剪切滑移特性以及张开节理的动力特性等,研究内容主要包括: (1)基于FLAC3D软件,首次系统全面分析一维应力波在单个和多个平行节理岩体中的传播规律。首先,分析了建模参数对数值模拟结果的影响,为选取合理的参数应用于动力学问题方面的研究提供了依据。通过FLAC3D模型选取了模拟实际节理的三种模型:抗拉粘结模型、胶合模型和粘结滑移模型,进而建立一维应力波在节理岩体中的传播模型,考虑了节理不同刚度、非线性滑移和两个线性节理对波传播规律的影响,并结合理论结果,探讨数值模拟的可行性,使FLAC3D更好地应用于地下工程问题的研究。 (2)考虑闭合节理变形的非线性特性,引入节理非线性法向变形本构模型(BB模型),建立了节理的非线性位移不连续模型。依据所建立的非线性模型,利用波前和节理界面之间的应力变形关系,时域内理论推导了二维纵波在非线性变形节理中传播的波动方程。理论研究综合考虑应力波入射角、节理变形非线性等因素的影响。 (3)结合节理面摩擦滑移的条件,选取线性化剪切滑移模型,建立考虑剪切滑移效应时二维纵波和横波在岩体节理中的传播理论模型,时域范围内推导了纵波和横波斜入射岩体节理面时的波动传播方程。理论研究能同时考虑入射角、剪切滑移等因素的影响,能有效分析剪切滑移效应对应力波能量衰减规律的影响。 (4)通过修正已有的张开节理中波传播的解析模型,使之能更好反映张开节理实际的力学性能。基于已有的解析模型,引入节理的弹簧刚度模型考虑应力波和张开节理的相互作用,时域内推导了二维应力波在张开节理中传播的波动方程。所建立的方程能方便分析短持时应力波在张开节理处的能量传播规律,所建立的修正模型能更真实的反映张开节理在工程实际中的受力状态。 (5)考虑到多条节理岩体中波动问题的多样性和复杂性,探索性地建立了二维应力波在两个节理岩体中传播的数值差分模型。同时考虑节理变形的非线性特征,理论推导了应力波在两个平行非线性变形节理岩体中的传播方程。建立的方程能方便分析不同因素对波传播规律的影响特征,包括节理变形的非线性、入射角和节理间间距等。 本文运用三维数值差分FLAC3D软件和时域理论方法,深入研究了应力波在单个和两个平行节理中的传播规律,同时考虑了节理的各种非线性因素,研究成果是对岩石动力学理论更进一步的补充,为更好地服务于地下岩体、结构工程有一定的理论意义、指导意义和实践意义。


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