冲击载荷下块系岩体摆型波传播特性的试验研究

摆型波现象是深部开采中块系岩体固有的动力学特征之一。为研究深部块系岩体摆型波传播规律,采用理论分析与室内试验相结合的方法,研究了在冲击载荷作用下摆型波的传播特性。该试验采用12块花岗岩和橡胶夹层材料建立了模型,采用TST5915动态数据采集系统进行信号监测,分别获得了在均质夹层和部分夹层介质增厚情况下的加速度响应曲线,并运用摆型波动力模型理论进行分析。结果表明,摆型波在块体间传播过程中,频率大小不受能量大小的影响,而能量大小决定了波的衰减时间。当块体间介质黏性增加时,加速度幅值均有所下降,但对加速度衰减周期没有影响,而影响加速度衰减的主要因素是冲击载荷的能量大小。此次试验研究将为今后进一步研究摆型波动力传播特性提供一定的基础。     

块系岩体间黏弹性性质对摆型波传播的影响

基于深部非连续自应力等级块系岩体构造理论,研究冲击载荷在块系岩体中以摆型波形式传播时岩块间黏弹性性质对摆型波传播的影响。当岩块间具有五种不同黏弹性性质时,通过对块系岩体的始端和末端区域中间岩块加速度响应计算及各岩块加速度正负摆幅幅值分析可知：岩块间黏性变化时,对岩块加速度衰减周期没有影响,但黏性增大时各岩块正负摆幅下降幅度比黏性周期增大时大;岩块间弹性变化时岩块加速度衰减周期均发生变化,但弹性减小时正负摆幅值向平衡位置平移,弹性周期减小时块系岩体的前半部分岩块正负摆幅曲线均出现波动且负摆波动较大,岩块间弹性梯级增大时,岩块加速度迅速衰减,同时各岩块加速度的正负摆幅曲线在初始端区域出现波动。     

块系岩体非协调动力响应特征试验研究

岩体在块系构造状态下的动力传播存在块体和块体间软弱介质的非协调变形现象，对岩体结构的动力稳定产生重要影响。目前块系岩体的非协调动力传播响应研究尚不充分，导致不能进行有效的动力响应特征识别。通过试验对块系岩体非协调动力传播过程岩块动力响应特征进行研究，分别从动力传播速度、岩块加速度振幅衰减、岩块振动位移响应、岩块振动持续时间、块体动能显现、块体振动频域响应特性等方面对比纵波传播，给出块系岩体非协调动力传播的特征分析。通过分析可知，块系介质非协调变形运动产生的动力传播现象相比于纵波传播是一种低频低速波，并伴随着岩块的大位移运动，同时岩块振动持续时间较长，蕴含着动能与势能的相互转换过程，这些现象构成了块系岩体非协调动力传播的重要特征。该研究将为识别岩体非协调动力传播特征及块系岩体的冲击预警波动特征识别提供参考。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,将块系岩体振动简化为等效质量-黏弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明：水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小黏性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,本文将块系岩体振动简化为等效质量-粘弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明:水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小粘性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,本文将块系岩体振动简化为等效质量-粘弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明:水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小粘性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

深部岩体工程响应的特征科学现象及"深部"的界定

根据实测数据和工程实例介绍了深部岩体工程响应中发生的一系列特征科学现象,这些特征科学现象归蚋为静力特征现象和动力特征现象两类。静力特征现象表现为在深部工程围岩中交替出现若干破裂区和不破裂区;动力特征现象表现为深部矿井中的岩块弹射和岩块冒落等岩爆现象和地下爆破时发生的冲击地压动力事件,即岩体中的工程性地震。文中在阐明动力特征现象本质的同时,介绍了与之紧密相关的岩块系的超低磨擦效应、岩块系的准共振现象和岩块系运动时发出的慢速变住波(摆型波)。最后介绍了时深部岩体工程的“深部”概念的应有理解及其如何科学界定。关键词：深部岩体;工程响应;分区破裂化现象;冲击地压动力现象     

冲击地压矿井的围岩与支护统一吸能防冲理论

针对冲击地压过程的能量传递与耗散,基于块系围岩与支护系统动力模型,研究冲击扰动在岩体中传播时,围岩与支护特性对能量传递与耗散的影响,通过岩体和支护中的阻尼吸能作用对支护端岩块的动能变化进行分析。经分析表明:支护端岩块的冲击能量是可控的,当增大围岩中局部岩块间的阻尼作用时,支护端岩块的动能明显下降,有效地吸收了冲击能量,同时局部岩块间的阻尼分散作用在相邻两个块体间的吸能效果相比于集中作用时更好;当增大支护中的阻尼作用时,相比于同样的围岩中阻尼变化,其吸收冲击能量的效果较弱。当围岩与支护中的阻尼共同作用进行吸能防冲时,应以岩体主动吸能为主,支护被动吸能为辅进行统一吸能防冲,由此提出围岩与支护统一吸能防冲理论,为吸收冲击能量防御冲击地压动力灾害提供思路。     

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷（如二次冲击、岩体挤压）作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。     

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。     

围压与冲击扰动作用下组合煤岩超低摩擦效应分析

深部煤岩在垂直扰动作用下发生振动,当水平冲击足以克服块体间摩擦阻力时,极易发生超低摩擦型冲击地压。文章以细砂岩-煤-细砂岩组合块体为研究对象,考虑顶板-煤-底板临近工作面开采工况,采用数值模拟方法,建立围压与冲击扰动下组合煤岩数值模型,以煤块水平位移、垂直加速度差值作为超低摩擦效应特征参数,分析围压、垂直冲击及水平冲击对特征参数的影响规律。研究结果表明:在垂直冲击与围压共同作用下,煤岩体残余位移及水平位移峰值随围压增大且呈指数增长趋势;在垂直冲击、水平冲击和围压三者共同作用下,煤岩体超低摩擦效应强度与作用时间都随着围压呈增加趋势;垂直冲击对组合煤岩超低摩擦效应的影响最为显著。      

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。     

岩爆与峰后岩石力学特性

峰后岩石特性是产生岩爆的根本原因;地质力学因素是产生岩爆的外部因素。从地下工程开挖过程中围岩部分的能量释放、集聚、转移入手,揭示了高地应力是产生岩爆的重要外因;岩爆产生的时空特点是在破坏后塑性软化阶段,并从非线性岩石力学理论角度,研究了此阶段岩爆条件。得出以下结论：一是块系结构岩体变形稳定性与块体几何特性、尺度大小,以及破坏后物理性质有关;二是判断岩体是否发生岩爆,可采用： 和 < 判据。     

基于小波包的地下洞室群地震响应及其频谱特性研究

基于有限差分数值模拟,在合理选择地震动力分析阻尼参数的条件下,开展白鹤滩水电工程13#机组剖面地下洞群围岩地震响应研究,并结合小波包变换方法从加速度峰值及振动能量角度评价了地震波在岩体中的传播规律及洞室群不同区域地震响应的频谱特征。结果表明：地震波传播过程中强度随高程增加而增加,层间错动带有一定减震作用;小波包分解可以较全面地给出地震响应成分的频率分布;地震波的高频分量在岩体传播过程中逐渐衰减;在地下洞室群附近,岩体地震响应的加速度峰值和振动能量频谱特征以1～3 Hz频段为主,其他频段对岩体地震响应影响较小。     

边坡岩体滑动稳定的动力学分析

在地震或爆破等强烈振动影响下边坡岩体往往产生块体滑动。这种失稳的动力学特性迄今尚未获得应有的研究。 在大部分现有的文献中都采用惯性力原理,将动力问题化为静力问题解决。这种常规的准动态分析,只考虑最大振动加速度,使问题过于简化而偏于保守。少数文献中探讨了动力问题,但也未考虑动荷载的全波形,所以未能解决块体滑动的真正的动力学问题。     

采动微地震波传播与衰减特性研究

为分析采动地震波煤岩响应及其波场特性,构建顶板岩层和煤层2种传播介质接收采动地震波的多通道微震监测系统,研究2种介质采动地震波的传播和衰减特征。研究结果表明：顶板岩层接收到采动地震波的平均波速、加速度均高于煤层,2种介质中的地震波加速度均与爆破装药量成正相关,与传播距离、介质密度负相关。采动微地震波能量、信号时长随传播距离分别呈指数、线性衰减,近爆心处煤层传播微地震波能量、信号时长均高于顶板,超过一定距离后顶板高于煤层;采动微地震波传播距离有限,顶板的有效传播距离高于煤层,地震波有效传播距离与爆破装药量线性正相关。采动地震波低频部分的品质因子高于高频部分,顶板岩层的品质因子高于煤层。研究成果有助于地震波传播介质选取、检波器布设优化。     

高静载条件下受频繁动力扰动时蛇纹岩动力学特性研究

基于改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）岩石动静组合加载试验系统,进行了在不同静力轴压条件下受频繁动力扰动作用的动力学试验,研究蛇纹岩在高静载下受频繁冲击扰动过程中的动态变形特性、动态峰值应力和应变、能量变化规律和岩石破坏模式等动力学特性。研究结果表明：高静载条件下受频繁冲击扰动作用时,在动态峰值应力前,动态应力与应变呈正相关关系,而在动态峰值应力后,出现变形回弹和不回弹两种现象;随着动力扰动次数的增加,岩石动态峰值应力减小、动态峰值应变增大、动态变形模量减小、岩石由释放能量向吸收能量方向转化;随着预加静力轴压的增大,单次冲击过程中岩石损伤加剧,岩石破坏需要的扰动冲击次数减少,同时岩石由拉伸破坏模式向压剪破坏模式转变,破坏块度由小变大、均匀度降低。试验结果对揭示深部岩体承受高地应力和频繁开挖爆破等动力扰动作用下的破坏机制具有重要意义,同时为工程实际中通过调整围岩静应力状态和爆破以提高围岩长期稳定性的可行性提供了室内试验支持。     

层状边坡岩体滑动稳定的三维动力学分析

本文通过振动模拟试验探索了块体运动时滑面的摩擦特性，建立了块体运动的三维动力学方程，并探讨了层状边坡层间振动加速度在传递过程中加速度变化情况。从而可以计算出受振动影响时边坡各层间的稳定性。     

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。     

影响强夯地面振动衰减的因素分析

夯击能量和地基土体特性是影响强夯地面振动衰减的两个重要因素。观测和分析表明 ,夯击能量越大 ,地面振动衰减越快。在较小的夯检距上 ,强夯地面振动的强度对夯击能量的变化相对较敏感 ,表现为在近距离上地面振动强度随夯击能量增加的速率较大。地面振动随距离的负指数幂衰减公式中当量系数 k值的大小与强夯夯击能和场地介质条件有关 ;而衰减指数 β值的大小主要与场地介质条件有关。这些规律对于强夯振动效应的评价和岩土体动力学特性的研究具有重要意义