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。     

考虑岩体应力的结构面中应力波传播特性分析

应力波在含结构面岩体中的传播一直是岩石动力学的一个重要课题。深部岩体应力会影响岩体结构面的力学特性,进而影响应力波的传播规律。基于时域递归分析方法,首先对考虑岩体应力情况下应力波与非线性岩体结构面的相互作用进行了分析,推导出了波的传播方程。研究中假定岩体结构面法向满足非线性双曲变形模型（Barton-Bandis模型,简称B-B模型）,切向满足库仑滑移模型。其次,对一些特殊情况,如结构面水平或垂直分布、波阵面水平分布等,进行了计算模型和波的传播方程的简化分析。通过对比,发现岩体应力对应力波的传播特性有明显的影响。最后,参数研究分析了岩体应力特性、节理特性及入射波频率等对透、反射系数的影响规律。     

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。     

应力波在非线性结构面介质中的传播规律

用切线刚度和法线刚度描述结构面特性,研究结构面初始刚度、频率、法向闭合量与其最大允许闭合量的比值对透射系数的影响。采用基于连续介质的块体离散元程序（CDEM）模拟结构面发生非线性变形条件下块体响应,研究结果表明,应力波在岩体中传播是一个传播和块体响应的过程,结构面的存在影响了应力波传播和响应,存在一个特征频率能够有效反映结构面刚度变化,给出了近似计算该特征频率的表达式,对岩体结构探测具有一定的指导意义。     

不耦合装药爆破对硬岩应力场影响的数值分析

爆破地震勘探石油是一种重要的方法,但爆破地震效应与爆破参数、地质条件等密切相关。采用动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对柱状炸药与药孔壁之间为空气或其他介质以及空隙间距变化时碳酸盐岩岩石中爆炸应力波的传播规律和爆炸地震波能量的衰减特性进行了数值模拟研究,得到了不耦合装药爆炸时岩石应力、振动速度的衰减规律以及与不耦合系数、间隙介质的关系,分析了不耦合效应对爆炸地震波能量的影响。研究表明,不耦合或耦合不好时会使岩体中爆炸应力波的强度大大降低;耦合状态对岩体应力及速度的衰减系数和衰减指数影响较大;在空隙中注水或灌满泥浆会改善它们的耦合关系,增大下传的爆破能量。所得成果可为我国西南地区优选适合碳酸盐地层地震勘探的激发因素提供技术途径和方法。     

双重孔隙介质中P1波在自由边界上的反射

对双重孔隙介质波动中的体波及P1波在半空间自由透水和不透水边界上的反射问题进行了详细的理论求解。通过数值计算,对双重孔隙介质中4种体波的弥散和衰减特性,以及不同边界上反射波振幅反射系数随P1波入射角和频率的变化进行了分析。结果表明：（1）P1、P2、P3和S波均具有弥散和衰减特性,P1波传播最快而衰减最慢,P3波传播最慢而衰减最快;（2）随着入射角的增大,反射P2、P3和S波的振幅反射系数均先增大后减小,反射P1波则先减小后增大,且边界透水条件对反射P2和P3波的振幅反射系数影响显著,对P1和S波的影响较小,但透水和不透水边界下振幅反射系数随入射角的变化趋势一致;（3）反射P2、P3波的振幅反射系数均随频率的增大而增大,且不透水边界下反射P2波的振幅反射系数大于透水边界下的反射系数,而反射P3波则相反;（4）随着频率增大,透水边界下反射P1波的振幅反射系数先增大后减小,不透水边界下先减小后增大再减小,反射S波的振幅反射系数随频率变化情况则与P1波相反。     

基于离散颗粒模型的岩体结构面动-静态刚度系数对比的数值模拟研究

岩体工程计算分析中结构面刚度系数是至关重要的力学参数,计算分析的精度和可靠程度与这个参数密不可分,结构面刚度系数取值仍然是一个难点。岩体中应力波传播至结构面处将会发生反射和透射现象,利用应力波透射系数可反演结构面动态刚度系数。本文从细观力学角度运用颗粒离散元方法,开发分段线性接触模型及应力波吸收边界模型,开展宏观岩体中应力波传播的模拟,结合准静态压缩试验模拟,研究了较为平直的岩体结构面分别在不同正应力条件下的动、静态刚度系数的变化特征。模拟结果表明:(1)利用C++语言开发的分段线性接触模型很好地实现了结构面非线性变形特征的模拟;(2)基于颗粒离散元方法能够准确地反映岩体中应力波传播规律,应力波通过不同刚度结构面的透射系数与理论解一致;(3)在离散颗粒模型中加入黏滞吸收边界条件很好地实现了在有限尺寸模型中远场应力波传播模拟;(4)在岩体模型中结构面接触部位运用分段线性接触模型,通过模拟应力波传播与单轴压缩试验分别获得了一致性较好的结构面动、静态刚度系数,结构面动/静态刚度系数之比值约为1.0。本文对岩体中结构面刚度的测试和取值具有重要的指导意义。     

应力波扰动下结构面的应力量化及强度表征

开挖利用和开发建设等人类工程活动,破坏了岩体原有的天然应力平衡状态,而结构面的存在进一步恶化了地质环境安全,所以,为了有效防治崩塌、滑坡等地质灾害的发生,有必要对扰动作用下结构面的应力状态和强度特性进行分析研究。将岩体所受扰动作用以应力形式量化,分析了扰动应力波在结构面中的传递过程并对其衰减特征进行了量化,同时建立了扰动作用下结构面应力分析模型。基于此,结合库仑-纳维叶准则,给出了扰动作用下结构面的强度分析准则,同时,实现了扰动作用对结构面强度的劣化效应分析并使用折减系数进行定量描述。该过程的实现为有效防治工程活动引起的地质灾害提供理论依据,给出了一种分析扰动作用下地质灾害诱发机制的新思路。     

水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究

根据应力波传播原理分析了水平层状岩体边坡中应力波传播特征,建立了应力波在该类边坡中传播的模型.利用离散元软件UDEC分析了不同频率垂向压缩应力波作用下边坡动力响应规律中的结构面效应.结果表明:边坡中的水平层面对坡顶的动力响应有明显影响.低频应力波作用下,水平层状岩体边坡坡顶的垂向峰值速度较均质坡体相同部位的峰值速度的增...     

动载荷作用下岩石破坏过程的数值试验研究

采用基于细观损伤力学基础上开发的动态版RFPA2D数值模拟软件,对动载荷作用下应力波延续时间、应力波峰值和围压对岩石试样破坏的影响进行了数值研究,结果表明,应力波延续时间较短,则尾随应力波波前的高应力区范围较窄,应力波衰减较快;相反,应力波延续时间较长,则紧跟应力波波前的高应力区范围较大,岩石处于破坏状态的时间延长,岩石的破碎程度加大。此外,存在一个合适的应力波延续时间,过分地加大应力波延续时间,反而不利于岩石裂隙的发育。动载荷的峰值越大,试样的破坏程度越大,当峰值达到一定值时,试样顶部呈现粉碎状,试样从上到下破坏程度逐渐减弱。在冲击载荷作用下的岩石随着围压的增加更难破碎,但当围压增大到一定程度时,岩石会突然失稳破坏。     

Propagation Characteristics of Blasting Stress Waves in Layered and Jointed Rock Caverns

The existence of joint fissures makes explosive actions between rock masses more complex. Therefore, it is of great significance to carry out experiments studying blasting stress waves propagating in jointed rock masses. Based on the Froude Similarity principle, the geological mechanical models of intact rock masses and jointed rocks have been proposed. A blasting vibration experiment was carried out and demonstrated that the propagation of the blasting stress waves and changing structures have an important relationship. A numerical simulation of the blasting stress wave propagation law in a layered jointed rock mass was carried out. This study found that with an increase in the joint angle, the peak velocity of blasting stress wave, transmission coefficient and reflection coefficient all gradually increased, while the attenuation coefficient gradually decreased. With an increase in joint spacing, the attenuation rate of the blasting stress waves increased.     

Stress and energy reflection from impact on rocks using different indentors

Experiments have been conducted using an impact method with drop-hammers to obtain the required signals so that a detailed analysis of these data could be undertaken to quantify the drillability index of rocks. The dynamic stress waveform or reflected energy from the rock-drill bit interface is represented as a drillability index. This information enables the assessment of the characteristics of the rock under the bit. The results show that neither the amplitude nor the frequency spectra of the reflected stress wave significantly changes with the type of rock tested. However, the energy reflection coefficient varies with rock hardness. In the process of drilling the rocks, the energy reflection coefficient can increase by approximately 20% when the hardness or penetration resistance index of rock is doubled. This investigation confirmed the variation of reflected energy of rocks. For a single sharp or domed indentor, energy reflection decreases with penetration resistance index of the rock while it increases with this index in actual drilling or testing of percussive bits. In drill bit design and in tests for using a single indentor, a reasonable indentor shape should be adopted to correspond to a high energy reflection coefficient. By contrast, the energy reflection from a drill system or percussive bit should be minimised in practice.     

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。     

不耦合装药下爆炸应力波传播规律的试验研究

通过室外爆破试验,利用预埋研制的PVDF压力传感器对耦合及水不耦合延长药包装药爆破时爆炸应力波的中远场压力进行测量,拟合实测结果,得到4种不耦合系数下爆炸应力波峰值随传播距离衰减的指数关系式。分析试验结果可知： ①在试验所涉及的范围内,不耦合装药时爆破应力波峰值衰减幅度小于耦合装药（即K =1）时爆破应力波峰值衰减幅度,验证了水介质作为炸药爆轰产物与岩体间的弹性缓冲层作用,减少了粉碎孔壁岩体造成的能量耗散,增加了能量传递,加大了爆炸的作用范围;②当不耦合系数K = 3.29时,应力波峰值衰减指数表现出大于K =1.79及大于K =2.57时应力波峰值衰减指数的趋势,表明过大的不耦合系数造成了不耦合介质--水过多的能量耗散（在高温高压下水并不完全是弹性的）,削弱了不耦合装药爆破的优势;③在不耦合装药爆破中,存在最佳的不耦合系数,此时爆炸应力波峰值衰减最慢,爆炸能得到充分利用,达到最优的爆破效果。研究结果对不耦合装药爆破的设计及工程应用有一定的指导意义。     

扭转导波在锚固锚杆中传播的数值模拟

采用有限元数值模拟的方法研究了扭转导波在锚固锚杆中的传播性质。建立了自由锚杆和锚固锚杆的有限元模型,在锚杆顶端激发20～60 kHz扭转导波信号,计算得到导波在自由锚杆和锚杆锚固段的传播速度值与理论值吻合很好,证明了扭转导波数值模拟方法的有效性。数值模拟结果表明：随着激发波频率的增大,扭转导波在自由锚杆和锚杆锚固段中的衰减值均呈线性递增趋势,导波在锚杆锚固段上界面的反射回波逐渐减弱;扭转导波在锚杆锚固段的衰减值较大,无法在锚杆顶端采集到锚杆底端反射回波信号,所以扭转导波不适用于锚杆长度的检测;随着锚固介质弹性模量的增大,同一频率扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射波逐渐增强。通过检测扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射回波,可以确定锚固介质弹性模量的大小。     

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.     

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。