裂隙岩体中弹性波传播特性试验及宏细观损伤本构模型研究

以不同加载方式下裂隙岩体中弹性波传播特性试验为基础,首先通过对比试验中弹性波波速、波幅与岩体宏观损伤的关系,给出了采用弹性波波幅来表征的裂隙岩体宏观损伤变量;其次利用统计强度理论定义了岩石的细观损伤变量,并基于连续损伤理论建立了宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型;最后结合试验数据对该模型进行了验证与分析。研究表明:完整岩体中细观裂隙的起裂和扩展对岩体中传播弹性波的波幅和波速的影响较小,而裂隙岩体中宏观裂隙的张开和闭合对弹性波波幅和波速的影响较大。裂隙岩体在外力作用下时,弹性波波速和波幅的变化规律类似,相较于弹性波波速,弹性波波幅对裂隙岩体宏观损伤的变化表现的更敏感,可用来定义裂隙岩体的宏观损伤变量。不同加载方式下裂隙岩体的损伤特性与宏、细观裂隙以及其所处的应力状态相关,基于宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型可以较好地反映不同加载方式下裂隙岩体的损伤力学特性。在三轴压缩试验中,宏观裂隙对岩体轴向压应力方向上损伤的影响主要体现在试验的中后期阶段,在三轴拉压试验中,宏观裂隙对岩体轴向拉应力方向上损伤的影响贯穿于试验全过程中。     

准各向同性裂隙岩体中有效动弹性参数与弹性波速关系的研究

从弹性波在介质中传播的特点和弹性波法在岩体工程中的实际应用情况方面,分析了弹性波在含裂隙岩体介质中的传播特征。将岩体中裂隙呈随机分布的裂隙岩体似为准各向同性裂隙岩体,根据能量平衡原理、岩石断裂力学理论和卡氏最小功能定理(Castiglano’s theorem),确定了准各向同性裂隙岩体的有效动弹性参数( 、 、 )与裂隙密度参数(Xv)的数学关系。在此基础上,根据各向同性介质中传播的弹性波理论,建立了准各向同性裂隙岩体中弹性波速( 、 )和 / 与裂隙密度参数(Xv)之间的关系。理论研究表明,在此裂隙岩体中,有效动弹性参数和弹性波速与裂纹密度参数之间相互的关系均近似成倒数函数的非线性关系;裂隙密度参数增加,有效动弹性模量( )也减少,弹性波速( , )也减小;在裂隙密度参数较小时,此裂隙岩体的有效弹性模量和弹性波速随裂隙密度参数的变化较大,说明裂隙体的有效弹性参数和弹性波速对裂隙体非常敏感。     

基于弹性波波速的降雨型滑坡预警系统

降雨是诱发滑坡最主要的因素。为减少滑坡灾害造成的人员伤亡和经济损失,滑坡早期预警系统成为了最佳选择之一。根据弹性波传播的基本原理和基于降雨型滑坡变形破坏的特点,提出利用弹性波波速来反映边坡表面土体含水率和位移的变化。开发研制了一套三轴渗流-弹性波测试三轴仪和相关系统。该装置能让水从底部渗入土体,模拟降雨入渗土体的过程,同时能测试弹性波波速。试验过程中同步测试含水率、变形和弹性波波速的变化。还进行了降雨滑坡模型试验。利用三轴弯曲元注水试验和降雨滑坡模型试验,深入分析和研究降雨引起的土体滑坡过程与弹性波波速演化规律,揭示波速与含水率和变形的耦合关系。研究结果表明,弹性波波速随着含水率的增大而缓慢减小,随着变形的增大而急剧减小,临近失稳时,波速骤然减小。根据试验结果对含水率和变形导致弹性波波速减小可能的机制进行了解释,提出弹性波在波速骤然减小时发出滑坡预警。研究结果为滑坡防灾减灾和预测预报提供新的方法和可靠的依据。     

单轴加载过程中砂岩声学特性研究

岩体的声学特性与应力状态和破坏程度密切相关,通过岩体声学特性的变化来分析岩体应力状态进而评价工程稳定性是一种行之有效的工程措施。针对砂岩开展了单轴压缩试验,并在加载过程中同步进行3个方向的声波测试,获得了砂岩加载过程中3个不同方向声波波速与应力的演化规律。试验结果表明：随着应力的增加,轴向波速逐渐增大,横向波速表现出先增后减的趋势。考虑到不同方向声波测试结果的差异性,采用含不同倾角裂隙的石膏试样进行声波试验。结果表明,当裂隙方向与声波传播方向一致时,波速最大,与声波传播方向垂直时,波速最小;此外,为分析岩样波速与应力状态的相关性,建立了波速与体应变的关系,结果表明,随着体应变的增加,平均波速逐渐增大,在体应变达到最大值附近时,平均波速达到最大值,在体应变下降阶段,波速开始下降;根据轴向波速与应力的变化规律,得到了应力与波速的指数函数拟合公式,据此可以通过现场测试获得的波速预测现场岩体的应力范围,进而评价工程岩体稳定性。     

非饱和土中热弹性波的传播特性分析

基于非饱和多孔介质的研究成果,考虑热效应和孔隙流体迂曲度的影响,研究了非饱和土中热弹性波的传播特性。利用非饱和土中耦合热的固-液-气三相介质的质量平衡方程、渗流连续方程、动量平衡方程和广义非Fourier热传导定律,建立了问题的热弹性波动方程。通过引入势函数,经过理论推导给出了非饱和土中热弹性波的弥散特征方程。结合数值算例,分析了几类热弹性波的波速和衰减系数随迂曲度、热膨胀系数和介质温度等热物理参数的变化规律。结果表明：孔隙水迂曲度的增大将引起P1波、P3波和S波的波速增大,而孔隙气体迂曲度的增大仅使得P2波的波速增大;热膨胀系数的增大将造成P1波波速的增大和热（T）波波速的减小;介质温度的升高将引起各类热弹性波波速的增大;频率、热膨胀系数和介质温度的变化对各类热弹性波的衰减系数均有较大影响,不可忽视。     

节理岩体超声测试及单轴压缩试验研究

为了获取节理岩体各向异性力学特性和声波传播规律的相互关系,通过制作圆柱形单一预制贯通节理试件,开展了7种不同倾角节理试件的超声波波速测试和单轴压缩试验。试验结果表明：（1）节理试件波速测试值离散性较大,但总体服从正态分布,波速平均值介于石膏试件和完整试件之间,波速随节理倾角增大呈线性递减;（2）不同倾角的节理面对节理试件力学特性的影响很大,在应力-应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式上均表现出显著的各向异性特征;（3）节理试件的力学性质和超声波传播特性变化规律区别很大,采用超声波波速确定节理试件的力学参数会存在很大误差。     

非饱和土中热弹性波的传播特性分析

基于非饱和多孔介质的研究成果,考虑热效应和孔隙流体迂曲度的影响,研究了非饱和土中热弹性波的传播特性。利用非饱和土中耦合热的固-液-气三相介质的质量平衡方程、渗流连续方程、动量平衡方程和广义非Fourier热传导定律,建立了问题的热弹性波动方程。通过引入势函数,经过理论推导给出了非饱和土中热弹性波的弥散特征方程。结合数值算例分析了几类热弹性波的波速和衰减系数随迂曲度、热膨胀系数和介质温度等热物理参数的变化规律。结果表明：孔隙水迂曲度的增大将引起P_(1)波、P_(3)波和S波的波速增大,而孔隙气体迂曲度的增大仅使得P_(2)波的波速增大;热膨胀系数的增大将造成P_(1)波波速的增大和热（T）波波速的减小;介质温度的升高将引起各类热弹性波波速的增大;频率、热膨胀系数和介质温度的变化对各类热弹性波的衰减系数均有较大影响,不可忽视。     

裂隙砂岩应变场演化与超声时移衰减特征研究

微裂纹萌生、扩展和聚结模式的识别是研究岩体灾害孕育演化过程的基础。为探究裂隙岩石微裂纹发育过程及机制,采用主动超声测量和数字图像相关（digital image correlation,简称DIC）技术同步监测单轴压缩下预制裂隙砂岩的损伤破裂过程,分析了表面应变场演化及超声衰减特征。结果表明：小倾角预制裂隙尖端的局部拉应力集中利于裂纹更早萌生;随裂隙倾角增加,预制裂隙试样由较为稳定的渐进性破裂转变为突发性破坏,其脆性特征也更明显,表面应变场可实时追踪裂纹的萌生和扩展。P波波速、振幅谱和超声振幅的衰减与微裂纹的发育和宏观裂纹的形成密切相关,可将超声波主频的明显衰减视为宏观裂纹形成的直接证据;不同射线路径P波速度及振幅衰减的差异,是轴向应力和预制裂隙诱导损伤累积各向异性的结果。此外,采用改进谱比法分析了超声衰减的时移特征,发现超声波衰减比P波波速对岩石介质中微裂纹的发育更敏感,进一步对比发现超声振幅、表面应变、P波波速对岩石损伤识别的敏感性依次降低。该研究结果表明,主动超声衰减和DIC表面应变同步监测是识别和量化岩石损伤和裂纹扩展先兆信息的有力工具。     

岩体工程特性研究中弹性波速参数取值方法探讨

工程岩体的各向异性特征导致了弹性波速的各向异性。因此，在岩体工程特性研究、岩体质量评价等方面，应注意合理地应用岩体弹性波速资料。笔者分析了岩体波速的各向异性特征，并指出：由于波速各向异性的存在，在岩体完整性系数计算中，岩体波速应取不同方向波速的几何平均值。当利用文中所给公式进行岩体孔隙率计算时，建议波速取最小值；在进行节理、裂隙发育的优势方向判断时，则取不同方向的波速值分别进行计算；当计算弹性模量时，必须取与岩体受力方向相一致的波速值。并给出了利用波速进行有关参数计算的实例。     

高边坡坝基柱状节理玄武岩开挖卸荷时效松弛特性

柱状节理玄武岩在开挖卸荷条件下容易松弛与开裂,是白鹤滩水电站坝基稳定的主要挑战。以白鹤滩水电站左岸坝基柱状节理玄武岩试验区为工程背景,采用单孔声波、钻孔摄像等原位测试技术,研究了分梯段开挖及时间效应条件下Ⅲ1类和Ⅲ2类柱状节理玄武岩松弛深度、松弛程度的时空演化规律,探讨了坝基柱状节理岩体松弛特征的原因。分析结果表明：柱状节理玄武岩的松弛深度主要由开挖引起,临近开挖面岩体的松弛程度随时间呈负指数增长,其时效期不超过半年。柱状节理岩体松弛特征与岩体质量关系密切,两类岩体的松弛深度、松弛程度的时效性及松弛程度随孔深的分布规律差异较大。坝基柱状节理岩体时效松弛是由内部节理张开导致的岩体强度参数的时效劣化引起。该研究对认识柱状节理岩体卸荷力学行为及优化坝基柱状节理岩体开挖保护方案具有重要意义。     

深部冲击倾向煤岩循环加卸载的纵波波速与应力关系试验研究

研究了单轴循环加卸载条件下深部冲击倾向煤岩样应力与纵波波速的耦合关系,基于煤岩试样在弹性阶段纵波波速变化梯度大,塑性阶段波速变化趋于平缓的特征建立了应力与纵波波速之间的试验关系模型,并对模型参数进行了分析。研究表明：①由于闭合的孔隙和裂隙又重新张开,颗粒之间的压实程度减弱,煤岩试样卸载过程中,随着应力的降低,波速也降低;②部分裂隙和孔隙在压密阶段发生永久闭合,造成应力降低后再无法张开,因此下一循环的开始纵波波速值要大于第一个循环开始时的波速值;③与实测值的相关系数计算结果表明,试验关系模型具有较高的拟合度,很好地体现了试样纵波波速变化对载荷的敏感程度。     

初始地应力对隧洞开挖爆生裂隙区的影响研究

隧洞开挖过程中控制爆炸对岩体的损伤,减小爆破裂隙范围,对保证工程安全具有重要意义。基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机制的研究,采用摩尔-库仑准则及最大拉应力准则,研究了初始地应力对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,初始地应力对爆生裂隙范围有显著影响。在压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径随地应力的增大而减小,地应力侧压系数影响爆生裂隙区比例半径在洞壁圆周的分布。考虑围岩应力卸荷影响后,沿隧洞径向的爆生裂隙区比例半径比不考虑卸荷的小。拉伸破坏导致的岩体爆生裂隙区比例半径一般比压剪破坏模式下爆生裂隙比例小,爆炸应力波作用下隧洞围岩更容易沿结构弱面发生压剪破坏。     

Effect of gradient stress on stress wave propagation characteristics of red sandstoneEI北大核心

地下工程岩体开挖卸载后,围岩体承受的地应力随空间位置呈梯度形式变化。梯度地应力导致岩石的波阻抗呈梯度形式变化,进而影响应力波传播衰减特性。为研究梯度地应力对岩石应力波传播特性的影响,利用自主研发的具有梯度静应力岩石应力波传播试验系统,对红砂岩长试件进行了9种应力梯度工况下的应力波传播试验。通过分析岩石应力波传播速度、波阻抗随应力梯度的变化规律,构建应力波幅值与传播距离、传播时间和应力梯度之间的经验模型,探索梯度应力影响红砂岩应力波传播衰减的机制。结果表明,相同应力梯度工况下,随传播距离增加,应力波形状变化较小,但幅值逐渐减小。随应力梯度增大,岩石各测点区段内应力波传播速度、波阻抗均增大,但增大速率逐渐减缓,相邻测点区段波阻抗差值比先快速增大,后缓慢减小。随传播距离和传播时间增加,应力波幅值均呈指数形式减小;随应力梯度增大,时空衰减系数均呈先快速增大,后缓慢减小趋势变化。随应力梯度增大,相同测点应力波幅值先快速减小,后缓慢变化,在低应力梯度阶段,距离自由端越远的测点幅值衰减速率越快。     

加卸荷条件下灰岩能耗变化规律试验研究

对灰岩开展单轴、常规三轴与峰前卸荷试验,对比分析不同应力路径下灰岩变形过程的能量变化特征。试验分析表明,灰岩加荷破坏和卸荷破坏的能量变化规律存在明显差异。由于围压抑制了裂纹的扩展,与单轴压缩破坏相比,常规三轴压缩试验灰岩吸收的总能量 和积蓄的弹性能 更多。常规三轴试验灰岩积蓄的弹性能 在峰值强度前一直增加,而卸荷破坏的弹性能 在卸荷开始后基本不变,说明卸荷破坏释放的弹性能 主要是在加荷阶段累积完成的,岩体所处的初始地应力状态决定了其破坏的能量释放量。加荷和卸荷应力路径下,灰岩临近破坏点耗散能 都快速增加,但是卸荷破坏耗散能 增速远大于加荷破坏耗散能增速,耗散能的迅速增加表明岩石破坏的发生。随着围压升高,灰岩吸收的总能量 和储存的弹性能 逐渐升高。随着卸荷速度增加,灰岩吸收的总能量 、储存的弹性能 和耗散的应变能 逐渐减小。     

Evaluation of equivalent medium methods for stress wave propagation in jointed rock mass

This paper evaluates the existing equivalent medium methods for jointed rock mass and further develops the equivalent viscoelastic medium method proposed by the authors. The advantages and limitations of different equivalences to the discontinuous rock mass are discussed. Theoretical derivation of stress wave propagation through the equivalent viscoelastic medium is carried out by adopting the Fourier transformation method, and the parameters of the equivalent viscoelastic medium method are determined analytically. The frequency dependence and the wave attenuation phenomenon can be properly described when the imaginary terms of the complex moduli of the rock mass are included. The results show that the equivalent viscoelastic medium method is able to predict the effective velocity and the stress wave transmission coefficient in a rock mass more accurately than the conventional effective elastic moduli methods. An example of the stress wave propagation through rock mass with parallel joints shows that the equivalent viscoelastic medium method is promising and worthy to be further explored for application in practical rock engineering problems. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于弹性波速比的岩体强度参数估算方法

针对传统的岩体强度参数估算方法考虑风化程度的研究成果较少的不足,引入弹性波速比λ,提出了岩体强度参数的估算方法。以贵州省二叠系两种典型岩体(灰岩和泥岩)为例,讨论了参数λ和正应力σ_n对岩体强度参数的影响。主要研究成果为:基于弹性波速比与Hoek-Brown强度准则,探讨了不同风化程度岩体抗剪强度参数折减系数的确定方法;研究了正应力与弹性波速比对不同风化程度灰岩与泥岩岩体瞬时抗剪强度参数的影响,结果表明,岩体所处的环境与风化程度是影响岩体剪切强度参数的主要因素;通过多项式拟合,建立了灰岩与泥岩扰动与未扰动情况下不同风化程度强度折减系数的计算公式,从理论上探讨了两种主要岩体不同风化程度对强度参数的影响。      

叶巴滩水电站深部破裂岩体波速特征

揭示深部破裂岩体波速特征及深部破裂对岩体卸荷、损伤、完整性及弹性模量的影响,以叶巴滩水电站岸坡深部破裂为典型实例,开展深部破裂现象精细测绘与声波测试。研究表明:根据宏观地质特征与波速,可将深部破裂划分为轻微松弛型、中等松弛型、强烈松弛型;轻微松弛型深部破裂岩体纵波波速大于4 200m/s,中等松弛型深部破裂岩体纵波波速3 000~4 500m/s,强烈松弛型深部破裂岩体纵波波速小于3 000m/s;轻微松弛型深部破裂对岩体卸荷程度、损伤程度、强度弱化影响较小,中等松弛型深部破裂次之,强烈松弛型深部破裂影响最为显著;轻微松弛型深部破裂岩体较完整,中等松弛型深部破裂岩体完整性差-较破碎;强烈松弛型深部破裂岩体已处于较破碎-破碎状态。     

Stress‐dependent elastic wave velocity of microfractured sandstone

A model for the stress‐dependent elastic wave velocity response of fractured rock mass is proposed based on experimental evidence of stress‐dependent fracture normal and shear stiffness. Previously proposed models and previous experimental studies on stress‐dependent fracture stiffness have been reviewed to provide a basis for the new model. Most of the existing stress‐dependent elastic wave velocity models are empirical, with model parameters that do not have clear physical meanings. To propose the new model, the rock mass is assumed to have randomly oriented microscopic fractures. In addition, the characteristic length of microfractures is assumed to be sufficiently short compared to the rock mass dimensions. The macroscopic stress‐dependent elastic wave velocity response is assumed to be attributed to the stress dependency of fracture stiffness. The stress‐dependent fracture normal stiffness is defined as a generalized power law function of effective normal stress, which is a modification of the Goodman's model. On the other hand, the stress dependency of fracture shear stiffness is modeled as a linear function of normal stress based on experimental data. Ultrasonic wave velocity responses of a dry core sample of Berea sandstone were tested at effective stresses ranging from 2 to 55 MPa. Visual observation of thin sections obtained from the Berea sandstone confirms that the assumptions made for microstructure of rock mass model are appropriate. It is shown that the model can describe the stress‐dependent ultrasonic wave velocity responses of dry Berea sandstone with a set of reasonable material parameter values. Published 2013. This article is a U.S. Government work and is in the public domain in the USA.     

洞室开挖卸荷作用下岩体裂纹动态应力强度因子分析

在线弹性变形假设的情况下,以龙滩水电站地下厂房开挖为例和以ANSYS数值计算软件为平台,计算了在爆破荷载和初始地应力卸荷荷载作用下岩体裂纹的动态应力强度因子。计算表明,在中高地应力地区的爆破破岩过程中,虽然炮孔附近的裂纹扩展和岩体损伤主要由爆破荷载引起的,但岩体初始地应力的动态卸荷可能是引起保留岩体中远区松动及原有裂纹扩展的重要因素之一。