爆破振动作用下城门洞形衬砌的临界振速研究

根据应力波理论,采用复变函数方法,对爆破振动作用下城门洞形衬砌的应力和振速分布进行了研究,进而求解了入射波入射角度不同时衬砌的临界振速。首先将城门洞形衬砌映射为一个内径为1,外径大于1的圆环,再求解稳态P波作用下圆环的动态响应;计算结果表明：入射波的入射方向对于城门洞形衬砌的临界振速有较大的影响,入射角度为90?时,衬砌的临界振速最大,入射角为0?时次之,入射角为270?时最小。     

斜入射线弹性节理应力波传播特征的数值模拟

依据弹性波理论,应力波斜入射线弹性节理时会发生波场分解。根据入射、透射及反射各波形的不同到时,运用离散元软件UDEC模拟应力波在含倾斜节理岩体中的传播并计算其透射、反射系数,并分析其波型转换规律。应力波斜入射单节理时,模拟得到的透射、反射系数随节理刚度、入射角度的变化规律,与已有的理论解是吻合的。应力波斜入射一组平行节理时,随着节理间距的增大,其同类波的透射系数Tpp、Tss先增大后减小,最后趋于稳定值;节理条数越多,Tpp、Tss越小。此外,不同条数的节理,透射系数达到最大值的临界节理间距值基本一致,但趋于稳定时的节理间距值随节理条数的增加而逐渐增大。     

节理面透射模型及其隔振性能研究

振动波入射到节理界面上,与软弱断层一样会产生波场的分解,能够起到隔振作用。根据线性变形节理的透反射规律研究发现,隔振后各点的波场可由透射P波与透射S波叠加而成,其能量分配服从Zoeppritz方程,不连续位移造成了透射波的衰减;法向刚度增加透射纵波系数会增加,而切向刚度与透射纵波无关,法向与切向刚度对透射S波均有影响,刚度增加透射S波振幅逐渐降低,逐步逼近于0;由于透射后波场相互干涉,不同波场延时不同,透射合成波与入射波相比,振幅降低,持续时间增加,波形尾段有畸变;总能量系数与节理面的刚度无关,而随入射角增加不断降低。     

爆破振动对砂浆锚杆的影响研究

爆破振动对锚杆有不利影响,运用应力波理论,并利用波函数展开法,研究了爆炸应力波与锚杆的相互作用过程,给出了爆破振动作用下砂浆锚杆周围砂浆体中的动应力和峰值振速分布情况,比较了不同频率应力波对锚杆的影响,导出了不同频率应力波作用下砂浆锚杆的安全质点振速范围。研究结果表明：入射波频率越高,砂浆锚杆所允许的安全质点峰值振速越大。     

黏弹性节理岩体的位移不连续模型研究

选用三参数标准线性固体作为岩石本构,提出了一种考虑岩体黏弹性的位移不连续模型;根据一维黏弹性波的特征线法,推导了节理处质点速度、应力和应变递推公式。首先,基于分离式霍普金森压杆（SHPB）对砂层进行试验,得到其应力-应变关系,并换算出砂层节理的法向刚度;接着,通过一维强间断黏弹性波的波速公式、高频波衰减系数以及任一频率下的衰减系数,确定出数值算法中的三参数。最后,基于自制的摆锤装置,探讨了一维应力波在节理岩体中的传播规律,试验中以两根长1 000 mm、直径为68.50 m的岩杆作为入射和透射杆,以3 mm砂层模拟节理。试验和数值结果吻合度良好,进一步验证了该方法的可靠性。     

P波对大体积混凝土裂缝的扩展作用研究

根据断裂动力学理论及弹性P波与裂缝相互作用的分析,利用混凝土的动态断裂韧度,研究了大体积混凝土深层或贯穿裂缝在爆炸应力波P波作用下的扩展,得到了含裂缝混凝土的安全质点振动速度,并讨论了P波频率及其入射角对安全质点振动速度的影响。结果表明,频率越低、入射角越大的应力波对混凝土裂缝的扩展作用越大,频率为10 Hz垂直入射条件下,混凝土裂缝不扩展的安全质点振动速度仅为0.95 cm/s,与水利水电工程施工组织设计手册中规定的混凝土重力坝、混凝土闸墩等大体积混凝土结构的安全振速5 cm/s有较大差距,含裂缝混凝土更加容易被破坏。     

节理岩体应力波反演模型研究

通过分析垂直节理面入射应力波的传播过程,得出节理界面产生的各次回波波形函数表达式,确定波源处的振动组合,从而建立以该振动信号分析为基础的反演节理特征的模型。该模型不仅能反演出节理的一些基本特征,包括：节理的位置、节理内充填物的波阻抗、品质因子、以及节理宽度与波速比值,而且还能反演出节理另一侧岩石的波阻抗,这一成果无疑将扩大应力波在节理岩体测试中的应用范围。     

边坡岩体弱面注浆宏观效应数值模拟分析

为反映弱面注浆对边坡岩体的宏观效应,通过对边坡弱面注浆前、后两种状态采用FLAC3D数值计算模型,分析边坡岩体注浆前、后的应力、位移场的变化。结果表明:注浆前,竖向拉应力和水平拉应力区向边坡内侧增大,且平行节理面分布,节理面两侧应力变化梯度明显;静态位移和动态位移向边坡内侧递减,位移在节理面处明显发生突然变化。边坡内侧节理面是构成潜在滑动面的主要因素。注浆后,拉应力区明显变小,拉应力贯通区消失,应力变化梯度减小;静态位移和动态位移明显下降,节理面处位移突变减小或消失。说明注浆加固处理对节理损伤起到很好的修复作用,提高了节理的抗剪强度和抗剪刚度。从而使岩体的应力场和位移场变得均匀和连续,节理面的拉应力区减小,较大的位移得以抑制,提高了节理边坡的整体性和稳定性。     

节理角度对预裂爆破成缝效果的影响研究

预裂爆破的现场实践表明,诸如节理、软弱夹层和断层等地质不连续面是影响预裂爆破效果的一个重要因素。运用LS-DYNA 3D程序研究了不同角度的节理对预裂爆破效果的影响。通过数值模拟发现,岩体中节理的存在对预裂爆破效果影响显著,其吸收应力波能量并阻碍应力波的传播,且影响预裂缝产状。研究结果表明,节理附近的预裂缝大多沿节理垂直方向开裂,逐渐与被破坏节理连接,节理夹角较小时,易形成锯齿状裂缝,且较难贯通。随着节理与炮孔连线夹角的增大,应力波在节理处的透射率越大,节理附近位置上的质点振速也越大,预裂缝更趋于平直且更易贯通。当节理垂直炮孔连线时透射率最大,所形成的预裂缝与炮孔连线基本重合,不会出现锯齿形裂缝,相对成缝效果最佳。     

不同静应力和节理条件下岩体爆破破岩机制研究

考虑不同应力条件和岩体节理属性,对静应力作用下含有长节理和局部短节理花岗岩的爆破破岩机制进行研究,探讨静应力、节理位置和充填介质物性等因素对爆破效果的影响。在节理间充填弹性弱介质和空气两种情况下研究半无限长节理面反射拉伸破坏效应和端部衍生翼裂纹扩展特性;在不同静应力作用下,改变爆源与节理间的距离,研究长节理面反射效应对爆破裂纹扩展的影响规律;在保持节理近端与爆源距离和节理长度不变的情况下,研究短节理端部衍生翼裂纹产生、扩展的规律。通过比较表明,当节理充填介质时,节理面的反射拉伸破坏作用弱于不充填情况,而前者的端部翼裂纹发育明显比后者充分;长节理阻断了爆破主裂纹的扩展,节理面反射拉伸应力波产生的拉裂纹与爆破主裂纹耦合贯通在爆源与节理之间岩体内产生密集裂纹网,改善了该区域岩体的破碎效果,但随爆源与节理之间距离的增大以及静应力增高,这种破岩效应逐渐消失;入射角对节理端部衍生翼裂纹的产生与扩展影响显著,而静应力对翼裂纹起抑制作用。     

Analysis of Blast Wave Interaction with a Rock Joint

The interaction between rock joints and blast waves is crucial in rock engineering when rock mass is suffered from artificial or accidental explosions, bursts or weapon attacks. Based on the conservation of momentum at the wave fronts and the displacement discontinuity method, quantitative analysis for the interaction between obliquely incident P- or S-blast wave and a linear elastic rock joint is carried out in the present study, so as to deduce a wave propagation equation. For some special cases, such as normal or tangential incidence, rigid or weak joint, the analytical solution of the stress wave interaction with a rock joint is obtained by simplifying the wave propagation equation. By verification, it is found that the transmission and reflection coefficients from the wave propagation equation agree very well with the existing results. Parametric studies are then conducted to evaluate the effects of the joint stiffness and incident waves on wave transmission and reflection. The wave propagation equation derived in the present study can be straightforwardly extended for different incident waveforms and nonlinear rock joints to calculate the transmitted and reflected waves without mathematical methods such as the Fourier and inverse Fourier transforms.     

位移不连续模型在黏弹性节理刚度计算的应用

考虑节理质量对应力波传播的影响,运用波的位移位函数推导了谐波在厚黏弹性节理的透、反射系数计算公式,采用波形相关系数描述子波穿过黏弹性节理的波形变化,讨论具有一定厚度的黏弹性节理简化位移不连续模型的适用条件。设厚黏弹性节理模型和位移不连续模型的透射波波形相关系数为0.9时对应的节理厚度为临界厚度,岩体与节理的阻抗比对临界厚度的影响很小;临界厚度随子波中心频率增大呈负指数减小,入射角越大,临界厚度随中心频率减小得越慢。试验数据分析表明：当节理厚度为0.03 m时,采用位移不连续模型和厚黏弹性模型计算得到的节理力学参数非常接近,随节理厚度和子波中心频率增加,运用位移不连续模型的计算结果偏差越大,试验结果与理论分析是一致的。     

A Numerical Study on Wave Transmission Across Multiple Intersecting Joint Sets in Rock Masses with UDEC

This paper presents a numerical study on wave transmission across jointed rock masses with UDEC, where multiple intersecting joint sets exist. The capability of UDEC of studying wave transmission across rock joints is validated through comparison with analytical solutions and experimental data. Through parametric studies on wave transmission across jointed rock masses, it is found that joint mechanical and spatial parameters including joint normal and shear stiffnesses, nondimensional joint spacing, joint spacing ratio, joint intersecting angle, incident angle, and number of joint sets together determine the wave transmission. And for P wave incidence, compared with other parameters, joint normal stiffness, nondimensional joint spacing, and joint intersecting angle have more significant effects on wave transmission. The physical reasons lying behind those phenomena are explained in detail. Engineering applications and indications of the modeling results are also mentioned.     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

A three-dimensional oblique incidence method based on stress time-history functions of seismic body waves

This paper presents a three-dimensional oblique incidence method based on stress time-history functions of seismic body waves. This method realizes the three-dimensional oblique incidence of a single body wave phase or superposed multiple phases, which considers the earthquake action in the analysis of the slope seismic response. To implement this method, first, the spatial relationship between slope and incident seismic wave rays is described, and the direction of incident seismic waves is defined with two parameters: the azimuth angle \(\alpha\), which reflects the azimuth of epicenter; and the incident angle \(\theta\), which is a concentrated expression of the hypocentral depth and epicentral distance. Second, at the bottom boundary of the slope numerical model, the vibration starting time of each node excited by an oblique incident seismic wave is calculated. By considering vibration time sequence, the successive disturbance of rock and soil medium at the bottom of the slope is achieved. Then the stress time-history functions of six body wave phases are derived. Numerical simulation results of the x demonstrate the effectiveness, applicability and necessity of the proposed method.     

含顺层断续节理岩质边坡地震作用下的破坏模式与动力响应研究

基于二维颗粒流软件PFC2D的人工合成岩体技术（SRM）,研究了岩桥倾角和节理间距不同组合形式的含顺层断续节理岩质边坡在地震作用下的破坏模式与动力响应规律。研究结果显示：在地震动力作用下,含单潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡呈现出滑移-倾倒的混合破坏特征,含多潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡则主要发生倾倒破坏;由顺层断续节理以及岩桥交替连接所组成的潜在滑动面是控制边坡动力稳定性的关键因素。在地震动力作用下,最靠近坡脚的岩桥段首先萌生翼裂纹,使得拉应力得到释放,随后各节理相继萌生裂纹并扩展、贯通,最终导致坡体发生阶梯状整体失稳。裂纹扩展受顺层断续节理控制,萌生裂纹中以张拉裂纹为主,且裂纹数量与输入地震波的加速度曲线具有同步性。另一方面,节理面的存在对边坡动力响应产生明显影响,沿坡表以及沿水平方向上的峰值速度、峰值位移随着岩桥倾角的增大、节理间距的减小而增大,同时节理间距和岩桥倾角对于峰值加速度（PGA）放大系数的影响范围主要集中在坡表、坡肩;沿竖直方向上,峰值位移随着岩桥倾角、节理间距的增大而减小,PGA放大系数曲线随高程变化总体呈现U型分布特征。     

爆炸应力波对新浇混凝土衬砌的影响研究

爆炸应力波作用下新浇混凝土衬砌的破坏模式及安全振动速度是水电、铁道工程隧洞建设中需要解决的重要问题。根据弹性P波及SV波在介质中的传播规律,讨论了P波及SV波在薄层混凝土衬砌中的传播及近似处理方法,依照莫尔-库仑准则、极限拉应力准则、极限拉应变准则,研究了爆炸应力波作用下新混凝土衬砌的破坏模式及安全振动速度。结果表明,入射应力波及衬砌中的折射波对衬砌的破坏作用最主要,折射波在衬砌内产生的反、折射波将降低衬砌中的应力,具有卸载效果;混凝土衬砌的安全振动速度随着龄期的增大而增大,P波入射时,安全振动速度随着入射角的增大而增大,入射角较大时,胶结面容易发生剪切破坏,较小时,容易发生拉伸破坏,SV波入射时,较小角度下容易发生剪切破坏,较大角度时容易发生拉伸破坏;围岩弹性模量越高,衬砌的安全振动速度越小。