应力波对裂隙的作用

强大的应力波冲击加载,能使完整介质发生变形,形成新的裂隙,导致破坏。而介质中原有的裂隙,除能提高破碎效率,还能吸收应力波的能量,使得应力波在传播过程中衰减。因此,研究应力波与裂隙的相互作用,对于研究岩石爆破机理、应力波传播规律以及波的反演--材料的动态特性等有着十分重要的意义。本文着重论述了应力波与裂隙的相互作用和裂隙对应力波传播的衰减影响,也综述了当前国内外对此所进行的模型计算和实验技术。     

深层岩体松动爆破中不耦合装药效应的探讨

基于冲击波在交界面两侧压力和速度必须各自相等的连续性条件,求解爆轰产物中适用的反射波方程和介质中适用的冲击波方程,得到药包周围介质中冲击波的初始参数.通过波的传播机理,把集中药包应力波随距离的衰减公式扩展到延长药包,并计算耦合与不耦合装药爆破时距爆心相同距离处岩石中冲击波的参数.由计算结果可知:(1)耦合装药爆破时形成的冲击波压力超过岩石抗压强度极限几十倍以上,药包周围岩石形成粉碎区;(2)与耦合装药爆破相比,不耦合装药爆破可以降低孔壁处岩石中冲击波初始压力,但可以增加孔壁后岩石中的冲击波压力.合理的不耦合系数,可使岩石不形成粉碎区,大幅度减少能量耗散;(3)水一般认为是非线性弹性介质,因此水介质成为炸药爆轰产物与岩石间的弹性缓冲层,增加了能量传递,延长了冲击波作用时间,加大了爆炸的作用范围.     

动荷载作用下岩石非线性弹性响应研究

岩石是一种典型的颗粒孔隙介质。在冲击荷载下,即便是在作用荷载比较低的阶段,由于岩石内部自然缺陷的存在,应力波随着传播距离延伸,其幅值有较大的衰减。文中对饱油和饱水的砂岩、大理岩进行SHPB冲击试验,研究结果表明:对于同种岩石试样,饱油岩样的衰减系数比饱水样品的小;对于不同的岩样,孔隙率大的岩样相应的衰减系数大。应力波在饱和介质中的衰减与介质中液体的粘滞系数有关。同时,材料中的孔隙和液体的存在对应力波的弥散特征也有一定的影响。然后基于Preisach-Mayergoyz(P-M)空间模型对冲击荷载比较低的阶段,岩石内部应力波的衰减和弥散问题进行了较详细的分析,得到了一些初步结论。本研究对于石油开采、物探以及岩土工程有一定的意义。     

岩体结构对岩石爆破效果的影响

分析了爆破冲击波的传播特点，指出了对岩石破坏最大的是拉伸应力波，并对岩体结构对岩石爆破效果的影响进行了探讨。     

应力波与可滑移岩石界面间的相互作用研究

研究了应力波与用节理刚度系数描述的线性滑移岩石界面间的相互作用，给出了其透、反射波幅的一般表达式。通过应力波垂直人射界面时的具体分析，反映出岩石界面的节理刚度对应力波传播的重要影响，并揭示了岩石界面对应力波的高频滤波作用。     

阻尼对应力波传播的影响

基于一维应力波理论，本文讨论了材料粘性（内阻尼）及作用于杆侧表面外阻尼对应力波传播的影响，应力波在外阻尼作用下，向上传播－应力波，该应力波在端面质点速度方向与入射波质点速度相反，而内阻尼则使材料具有松弛、蠕变行为，作用力终止后，端面质点速度缓慢地回复到零。无论是内阻尼还是外阻尼。受其影响，应力波在向下传播过程中，能量有一定程度的耗损     

岩石和岩体的本构关系

引言岩石和岩体的本构关系(包括适用于可压缩流体的状态方程)是岩石介质的应力(或压力)、应变(或比容)、比内能(或温度)、及加载路径、应变率等之间的普遍关系式.它是研究应力波在岩石介质中的传播规律及其与地下结构相互作用的基础;在估价地下结构对各种爆炸作用的抵抗能力以设计经得起这些作用的防护结构时,在预报周围环境地运动及确定结构--介质相互作用时,都需要岩石和岩体介质的动力响应的精确描述;     

水不耦合炮孔装药爆破冲击波的形成和传播

探讨了炮孔和装药间以水不耦合介质爆破时,在爆轰波压力和高压、高温爆生气体压力作用下,水中爆炸冲击波的形成和传播规律,求解了冲击波的初始参数和孔壁处冲击波参数,并应用弹性波动理论,提出了正入射情况下岩石内的初始冲击压力。     

岩体夹层应力波能量演化及应力响应特征分析

夹层是常见的地质结构,在地震或爆破荷载作用下,夹层对应力波的传播以及对岩体的响应具有重要的影响。以往对应力波在夹层介质中传播的研究多集中于夹层对应力波的隔振或透射性能,而对应力波在夹层中的多次折、反射过程中能量的演化规律缺乏讨论,对夹层介质的应力响应与破坏没有开展较好地分析。通过理论方法对应力波在夹层内部传播过程中的能量系数的变化规律进行了研究,分析了岩体介质波阻抗和应力波入射角对夹层内外介质中累积波动能量系数的影响规律,以及平面型边坡中软弱夹层的应力响应特征和动态稳定性。研究发现,应力波在夹层内部往复反射过程中,夹层内剩余应力波能量随折、反射发生次数呈指数曲线下降,第4次折、反射后产生的应力波能量可以忽略;夹层内外介质中应力波的累积能量系数的差异随着夹层内外介质波阻抗的相对差异的增大而增大。在平面谐波入射下,边坡内部的夹层中的剪应力和抗剪强度呈波动变化;相对P波,SV波入射会产生较高水平的剪应力,对边坡稳定性影响最大。且SV波入射时,边坡的安全系数对夹层的倾角变化更为敏感,随倾角增大而迅速降低。     

采用Laplace变换分析桩基应力波传播问题

将土体中的混凝土桩基简化为黏滞介质中的一维黏弹性杆,桩顶部受锤头冲击产生内部应力波。根据杆内微元应力平衡条件建立杆中一维黏弹性应力波传播的控制方程,结合桩顶锤头冲击条件和桩底弹-黏性约束条件给出桩基两端的耦合边界条件。对控制方程和定解条件作Laplace变换并求解变换后的常微分方程,得到变换域的应力像函数解析解。采用数值反变换技术将像函数转变为时间域的应力波形。应用此方法可以较方便地分析桩基中应力波的产生、传播、反射及相互作用过程。     

岩性及岩体结构对斜坡地震加速度响应的影响

斜坡岩体的岩性及岩体结构是斜坡在地震作用下产生变形破坏的主要控制因素。基于振动台模型试验,对4个斜坡模型探讨了这2个因素对斜坡地震动力响应的影响。岩性包括强度相对较高的硬岩和强度相对较低的软岩,对这两种岩性的斜坡又分别考虑了不含结构面的均质斜坡和含水平层状结构面的斜坡。基于传感器采集到的大量数据,以主频相近的天然地震波和10 Hz正弦波加载为分析工况,获得了以下几点认识：（1）4个模型斜坡坡面和坡内的水平向加速度均具有高程放大效应,尤其是软岩斜坡坡顶放大效应最显著;（2）软岩斜坡对水平向加速度的高程放大效应强于硬岩斜坡,尤其是在均质斜坡中表现最显著,均质软岩斜坡的高程放大效应呈现出明显的非线性特征;（3）当加载方向与水平层面平行时,含水平层状结构面的斜坡比均质斜坡产生了更强的高程放大效应,且在软岩斜坡中体现最显著;（4）岩性差异对斜坡水平向加速度高程效应的影响比结构差异的影响更为显著。研究结果为岩质斜坡的抗震设计提供了一定参考。     

Analysis of an anti-dip landslide triggered by the 2008 Wenchuan earthquake in China

The Guantan landslide, with a total displaced mass of about 468 × 10⁴ m³, was triggered by the 2008 Wenchuan earthquake and succeeding rainfall in Jushui Town, Sichuan Province, China. The landslide occurred on an anti-dip hard rock slope with a weak rock founding stratum of 200 m in thickness. To investigate the failure mechanism of the Guantan landslide, dynamic behaviors of hard and soft rock slopes were investigated by means of large scale shaking table tests. The laboratory models attempted to simulate the field geological conditions of the Guantan landslide. Sinusoidal waves and actual seismic waves measured from the Wenchuan Earthquake were applied on the slope models under 37 loading configurations. The experimental results indicated that deformation mainly developed at a shallow depth in the upper part of the hard rock slope and in the upper (near the crest) and lower (near the toe) parts of the soft rock slope. An equation for predicting the depth of sliding plane was proposed based on the location of the maximum horizontal acceleration. Finally, it was concluded that the failure process of the Guantan landslide occurred in three stages: (1) toppling failure caused by compression of the underlying soft rock strata, (2) formation of crushed hard rock and sliding surface in soft rock as the result of seismic shocks, particularly in the horizontal direction, and (3) aftershock rainfall accelerates the process of mass movement along the sliding plane.     

深部复合地层组合模式及力学特性室内试验研究

深部软硬岩交互出现的复合地层,其复杂多变的结构力学特性对地下工程安全施工构成挑战.本文从复合地层定义和分类出发,建立其结构力学模型.在实验室内采用水泥和纯白高岭土为原料,人工浇筑软、硬叠置型复合地层模型样品,开展单轴及三轴压缩力学试验.结果发现,单轴压缩时复合地层发生脆性张破坏,强度介于软岩强度与硬岩之间.当软硬层厚度...     

岩石/结构面劣化导致巴东组软硬互层岩体强度劣化的作用机制

岩石/结构面劣化导致巴东组软硬互层岩体强度劣化的作用机制是揭示三峡库区库岸消落带巴东组软硬互层岩体强度渐进劣化机理和评价库岸边坡稳定性的关键问题.以三峡库区典型"易滑岩组"巴东组第二段红色系列的砂岩与粉砂质泥岩互层岩组为研究对象,考虑干湿循环条件下岩石/结构面参数劣化,开展了软硬互层岩体单轴压缩数值试验,分析了软岩/硬岩/层面劣化对巴东组软硬互层岩体单轴压缩强度劣化的贡献度及其与岩层倾角的关系.研究结果表明,不同岩层倾角条件下,软岩/硬岩/层面劣化对巴东组软硬互层岩体单轴压缩强度劣化的影响有明显区别,以软岩/硬岩/层面劣化对巴东组软硬互层岩体单轴压缩强度劣化的贡献度为依据,将岩层倾角全范围划分为软岩控制区、软岩-硬岩-层面共同控制区、沿层面滑移失稳破坏区和硬岩控制区,揭示了岩石/结构面劣化导致巴东组软硬互层岩体强度劣化的作用机制及其受岩层倾角的影响,为进一步研究库岸消落带巴东组软硬互层岩体强度渐进劣化机理奠定了基础.      

Architecture of fault zones determined from outcrop, cores, 3-D seismic tomography and geostatistical modeling: example from the Albalá Granitic Pluton, SW Iberian Variscan Massif

The 3-D seismic tomographic data are used together with field, core and well log structural information to determine the detailed 3-D architecture of fault zones in a granitic massif of volume 500×575×168 m at Mina Ratones area in the Albalá Granitic Pluton. To facilitate the integration of the different data, geostatistical simulation algorithms are applied to interpolate the relatively sparse structural (hard) control data conditioned to abundant but indirect 3-D (soft) seismic tomographic data. To effectively integrate geologic and tomographic data, 3-D migration of the velocity model from the time domain into the depth domain was essential. The resulting 3-D model constitutes an image of the fault zone architecture within the granitic massif that honours hard and soft data and provides an evaluation of the spatial variability of structural heterogeneities based on the computation of 3-D experimental variograms of Fracture Index (fault intensity) data. This probabilistic quantitative 3-D model of spatially heterogeneous fault zones is suitable for subsequent fluid flow simulations. The modeled image of the 3-D fault distribution is consistent with the fault architecture in the Mina Ratones area, which basically consists of two families of subvertical structures with NNE–SSW and ENE–WSW trends that displaces the surfaces of low-angle faults (North Fault) and follows their seismically detected staircase geometry. These brittle structures cut two subvertical dykes (27 and 27′ Dykes) with a NNE–SSW to N–S trend. The faults present high FI (FI>12) adjacent bands of irregular geometry in detail that intersect in space delimiting rhombohedral blocks of relatively less fractured granite (FI<6). Both structural domains likely correspond with the protolith and the damaged zone/fault core in the widely accepted model for fault zone architecture. Therefore, the construction of 3-D grids of the FI in granitic areas affected by brittle tectonics permits the quantitative structural characterization of the rock massif.     

上硬下软反倾边坡开挖变形响应的物理模拟

现有上硬下软边坡的研究大都集中在压缩挤出变形的近水平泥岩、页岩基座型边坡变形演化过程,针对倾倒变形的板岩基座型边坡开挖响应研究甚少,本文以西藏玉曲河某水电站厂址边坡为研究对象,根据现场地质调查建立符合坡体实际情况的地质结构模型,采用物理试验的方法模拟原型边坡开挖。通过试验揭示上硬下软反倾边坡在开挖条件下的变形响应特征及破坏模式。研究结果表明:（1）开挖条件下上硬下软型边坡变形破坏过程分为a）下部软岩倾倒弯曲加剧;b）软岩倾倒折断,上部卸荷硬岩沿已有裂隙剪切;c）倾倒软岩滑移,卸荷硬岩剪断岩性分界部位,折断面贯通3个阶段。其变形破坏模式为下部软岩倾倒—上部硬岩剪断组合滑移型破坏;（2）开挖强倾倒区岩体会使下部软岩迅速失稳并促使上部硬岩剪切破坏;开挖引起的反倾上硬下软边坡大变形在短时间内完成,前期变形和能量积累是一个较长的过程;（3）开挖时需避免对坡脚倾倒岩体“大开挖”施工。     

含软弱岩层反倾岩质边坡地震动力响应与破坏模式

以鲁甸地震诱发的红石岩崩塌滑坡为研究对象,通过大型振动台模型试验和3DEC数值模拟,研究了含软弱岩层的反倾岩质边坡的动力响应和破坏失稳模式.研究结果表明:水平加载下,随频率增大PGA放大系数先减小后增大,在接近坡体自振频率8Hz的波形加载下,坡体动力响应最为剧烈,软弱岩层对不同频率的横波具有放大和吸收作用,对5~10Hz的横波放大效应明显,对15~20Hz的横波则明显吸收;竖向加载下,随加载正弦波频率的增加,PGA放大系数先增大,25Hz时PGA放大系数减小,随后又继续增大,在频率为30Hz时PGA放大系数达到最大,在5~30Hz范围内软弱岩层对纵波均具有一定的放大效果;双向加载下,坡体水平和竖向PGA放大系数分布与单向加载一致,但双向加载下坡体部分位置动力响应加剧,部分位置动力响应则受到抑制.含软弱岩层的反倾岩质边坡破坏过程可以分为6个阶段:坡体内部轻微损伤-软岩挤出、软硬岩交界上方硬岩拉裂-硬岩裂纹向上延展-软弱岩层挤压滑动-层面和纵向节理贯通形成滑面-边坡破坏.在软弱岩层的反倾岩质边坡中,软弱岩层具有对地震波的放大吸收、折射反射作用,影响着边坡的动力响应特征,软弱岩层的挤出破坏导致上部岩体岩结构面松动开裂,是该类岩质边坡破坏发展的主要原因,对该类边坡需应注意对软弱岩层进行加固防护,减小边坡的动力破坏.      

缓倾软硬岩互层边坡变形破坏机制模型试验研究

以宜巴高速公路沿途彭家湾软硬岩互层边坡为工程依托,依据地质分析及相似理论建立缓倾软硬岩互层边坡室内模型,采用开挖试验及和注水软化试验来模拟实际中的工程开挖（或河谷下切）和雨水浸润软化过程,研究缓倾软硬岩互层边坡的变形破坏机制。结果表明：在开挖及雨水软化两种工况下,该类软硬岩互层边坡的变形模式都是前期的滑移拉裂变形和后期的整体蠕滑变形,破坏模式是以深部软层为滑动面的整体滑移;硬岩层与软岩层的变形情况略有不同,硬岩层以整体蠕滑变形为主,而软岩层以滑移拉裂变形为主;深部软岩层的状态变化对边坡的整体稳定性影响非常关键;工程开挖（河谷下切）及雨水入渗都会对该类缓倾软硬岩互层边坡的稳定性有重要影响,开挖导致的临空面及微裂隙是滑坡发生的基础,水是滑坡发生的条件和诱因。     

缓倾坡外软硬互层型高斜坡演化及失稳机理研究

基于对贵州省德江县香树坪斜坡工程地质条件分析及斜坡变形破坏特征分析,建立了缓倾坡外软硬互层型高斜坡演化概念模型,分析了斜坡演化机制,将斜坡形成及变形破坏过程分为河谷形成过程中的时效变形、滑移-逐级拉裂、滑移-弯曲-剪断3个阶段。并通过数值分析,再现了斜坡失稳机理及发生过程。基于软硬互层特性在斜坡演化过程中的作用量化分析表明,由于硬岩层限制软岩层的变形,导致坡体不易发生整体失稳。但软岩持续蠕变导致硬岩内能量积累增大,局部变形扩大,最终发生失稳破坏。     

Micromechanical Modelling of Stress Waves in Rock and Rock Fractures

The goal of this paper is to simulate the interaction of stress waves and rock fractures in a particle micromechanical model. Stress waves travelling in fractured rock masses are slowed down and attenuated by natural heterogeneities, voids, microcracks and, above all, by faults and fractures. Considerable laboratory and theoretical investigation have uncovered the major aspects of this phenomenon, but models that cover the core mechanisms of the wave propagation in rock masses are necessary to investigate aspects of wave–fracture interaction, which are not completely clear, and in the future simulate full-scale real problems. The micromechanical model is based on the particle discrete element model that reproduces rock through a densely packed non-structured assembly of 2D disks with point contacts. The model of a hard rock core is developed and an irregular rock joint is generated at mid-height. A new contact constitutive model is applied to the particles in the joint walls. Numerical static joint compression tests are performed and a typical hyperbolic stress–displacement curve is obtained. Conditions for good quality wave transmission through non-jointed unorganized particulate media are determined, hybrid static–dynamic boundary conditions are established and plane waves are emitted into the compressed joint. The transmitted and reflected waves are extracted and analysed. Joint dynamic stiffness calculated according to the hypotheses of the Displacement Discontinuity Theory shows to increase with the static joint compression until the joint is completely closed. Still in its early stages of application, this rock micromechanical model enables the joint behaviour under static and dynamic loading to be analysed in detail. Its advantages are the reproduction of the real mechanics of contact creation, evolution and destruction and the possibility of visualizing in detail the joint geometry changes, which is hard to accomplish in the laboratory.