爆破荷载应力波在无限弹性介质中传播的特征线法解

双指数爆破荷载的应力时程关系是爆破工程的数值分析常用的动力输入。其在弹性岩石中传播衰减的特征线法解是工程爆破数值分析中弹性以及弹塑性分析的重要参照,也是动力学数值分析算法开发的重要高阶校准工具。应用统一弹性波的特征线法解求解源自圆形孔洞的双指数爆破荷载在理想介质中的传播。介绍了源自圆形孔洞的双指数爆破荷载在周围弹性介质传播过程中的径向应力、周向应力、位移以及速度波的特征线法解的具体过程,在MATLAB中进行了4种波的特征线法解的数值实施。对径向应力、周向应力、位移以及速度波的特征线法解的结果进行了多方面讨论。结果表明,特征线法是求解双曲型偏微分方程的一种有效方法,双指数爆破荷载在弹性岩石中传播衰减的特征线法解可为爆破工程数值分析以及动力学数值分析算法开发提供重要的支撑。     

高阶交错网格有限差分弹性波场模拟的精度分析

交错网格波场数值模拟是目前地震正演中广泛使用的方法,为对比分析不同阶数的差分格式下产生的计算效率和精度差异,重新推导了弹性波方程的4种时间4阶、空间2N阶的差分公式及系数,并计算了他们的稳定性条件。利用这4种差分格式进行弹性波场数值模拟,对比分析了波场快照、合成地震记录及CPU时间。结果表明：时间4阶、空间6+6阶精度的交错网格有限差分方法在进行地震波场数值模拟时具有较高的计算精度和计算效率。     

一种基于弹性应变能的裂隙岩体等效弹性模量评价方法

基于线弹性断裂力学裂隙面张开位移及剪切位移理论公式,考虑裂隙存在常法向和常切向刚度情况,研究了含单个裂隙岩体加载过程中由于裂隙存在而附加的弹性应变能。基于应变能等效方法并假设两种裂隙变形模型--非均匀变形模型和均匀变形模型,研究了二维非贯通裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量解析表达式。研究结果表明,对于贯通裂隙规则分布情况,均匀变形模型得到的解析解与Amadei等的结果一致;对于非贯通裂隙正态分布情况,考虑裂隙相互作用的非均匀变形模型解明显低估裂隙岩体的等效杨氏模量和等效剪切模量,而考虑裂隙相互作用的均匀变形模型解与有限元数值解的偏差在10%以内。得到的解析表达式在一定条件下可以作为裂隙岩体等效弹性模量评价方法之一。     

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。     

不同煤岩介质模型的波场特征研究

准确和形象地分析煤矿微地震波在不同介质中的传播规律,能够为煤矿主动地震勘探以及反演煤矿不同区域内部介质结构提供有效的理论依据。基于二维介质模型,以煤矿典型的煤、岩单一均匀介质模型、煤岩组合多层介质模型、含断层煤岩介质模型以及含水煤岩双相介质模型为例,利用高阶有限差分法对不同煤岩介质进行了波场模拟,分析不同介质的波场特征。研究结果表明,高阶有限差分法可以准确、形象地得到煤岩不同介质条件下的纵横波的波场特征;不同介质模型的波场特征各不相同,在多层煤岩介质中不同介质的分界面会发生纵横波的反射、透射和转换,产生透射波、透射转换波、反射波和反射转换波;在含断层煤岩介质中断层处不仅可以产生透射波、透射转换波、反射波和反射转换波,还可以发生绕射产生绕射波;在含水煤岩双相介质中不仅有快纵波和横波,也会产生慢纵波。不同时刻的波场快照可以进一步形象地描述波场动态特征,都为矿山微震波场分析打下了理论基础。     

利用FCT方法压制弹性波数值模拟中的数值频散

在基于波动方程的有限差分数值模拟中,会不可避免地出现数值频散（也称网格发散）问题。数值频散问题通常会给数值模拟的结果造成严重影响,因此在数值模拟中,应尽量设法消除这种现象。这里在前人的基础上,在基于各向同性介质的弹性波方程的数值模拟过程中,通过引入通量校正方法来解决数值频散问题。由数值模拟结果表明,该方法可以有效地消除数值频散现象,大大改善数值模拟的结果。     

裂隙岩体三维柔度张量的数值试验方法

在裂隙岩体二维柔度张量数值试验的基础上,建立了裂隙岩体三维柔度张量及其表征单元体积（REV）尺度研究的简化数值试验方法。首先根据岩体裂隙的统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在研究域内获得与实际岩体裂隙同分布的三维随机裂隙网络,提取位于不同方位的岩体试件,运用二维柔度张量的数值试验方法求出各个平面方向上的二维柔度张量,然后根据二维与三维柔度张量的拓扑关系,用数学方法求解裂隙岩体的三维柔度张量。对于含3组正交全贯通裂隙的岩体,通过数值试验获得的柔度张量与理论解相比,其主对角线上各参数的误差在5%以内,表明该数值试验方法较为可靠。最后将此方法运用到小湾水电站工程中,确定左岸坝区裂隙岩体的应力REV为11 m×11 m×11 m,并获得该区域裂隙岩体的三维柔度张量。     

基坑悬臂支护桩双参数弹性地基杆系有限元法

对地基抗力双参数法在基坑悬臂支护桩位移和内力计算方面进行了探讨,即采用地基土抗力系数随深度按双参数非线性变化的假设,以弹性地基杆系单元模拟,支护桩则按弹性梁单元模拟。对某基坑悬臂支护桩进行数值模拟反分析表明,通过试算调整可获得适合于实际设计计算的地基抗力双参数,该法应用到福州市某基坑悬臂桩的实际分析和设计中获得了较为满意的结果,可供悬臂支护桩设计计算时参考。     

基于岩石爆破损伤理论的预裂爆破参数研究及应用

工程中预裂爆破参数确定方法通常为经验类比法。该方法以经验公式为基础,存在理论依据较为缺乏等缺点。为此,引入岩石爆破损伤、应力波和爆生气体共同作用等理论,在考虑岩石初始损伤等影响因素的基础上,提出预裂爆破参数计算式。基于提出的理论方法,在现场开展了预裂爆破试验。针对爆破试验,比较了采用经验类公式和提出的理论计算式得到的线装药密度,并对爆破效果进行了分析。试验结果表明,预裂爆破效果良好。考虑爆破损伤效应的爆破参数确定方法比经验类比法合理。最后,在提出的理论计算方法基础上,给出了实际工程中确定预裂爆破参数的建议。     

基于球面波势函数基本解方法的弹性波三维散射与动应力求解

针对弹性波三维散射和动应力集中问题,提出一种基于球面波势函数的基本解方法(SWP-MFS)。方法基于单层位势理论,采用膨胀波和矢量剪切波球面波势函数构造散射波场,根据边界条件建立边界积分方程并配点求解。精度检验表明,该方法具有良好的数值精度及稳定性。以无限空间中三维夹杂体及空洞对平面P、SV波的散射为例,进行方法展示,并揭示了三维夹杂体周围弹性波散射的一些重要规律。结果表明:三维夹杂体随其内部介质刚度降低,位移谱曲线震荡越加强烈。三维球形空洞在P波和SV波水平入射下应力集中规律不同,前者在顶部和底部及附近更明显,后者在纵截面两45°角线附近更明显。与以往的集中力源函数相比,新的波场构造基本解更为简洁易用,为三维弹性波动分析提供了一种新型无网格数值方法。     

一种基于岩石物理建模的横波预测方法

横波速度在地震正演模拟、流体预测和AVO分析中有着至关重要的作用。然而由于横波测井费用较高等原因,一些工区并没有横波速度测井资料。基于岩石物理建模的方法预测横波具有针对性,预测精度较高。本文采用了由Sabrina提出的计算有效弹性模量方法,扩展了Cao等在该方法进行横波预测的假设条件,进行岩石物理建模,利用实测的纵波速度计算孔隙弱度从而进一步预测横波。最后结合实际资料,利用已知测井横波速度数据进行验证,结果表明效果较好。     

基于能量变化率法自动拾取场地剪切波速

提出了一种提高单孔法剪切波速测量精度的新方法--能量变化率的自回归曲线法。首先把剪切波的时程曲线变换为能量变化率时程曲线;然后对能量变化率时程曲线进行长短平均处理,拾取各测点P波和S波的大致初至;最后提出采用一种二次方自回归模型对初至附近的能量变化率曲线进行二次方自回归处理,精确拾取出各测点P波和S波的精确到时。采用此方法、互相关函数法和人工拾取法对某场地的剪切波速进行了对比分析。分析结果表明：此方法相比互相关函数法,具有更好的噪声抑制能力,不仅能精确地自动拾取出各测点的S波的到时差,也能更准确地自动拾取出各测点的P波的到时差。以人工拾取结果为参考,此方法在实际测试中具有很高的准确率和稳定性。此方法丰富了场地剪切波速分析方法。基于此方法、互相关函数法和人工拾取法,设计了一套剪切波波速的测试系统,此系统能自动分析出各测点的剪切波速和形成完整的报告。     

基于传递矩阵的两相介质波动问题时域显式有限元方法稳定性研究

饱和两相介质波动问题的时域显式有限元方法具有条件稳定性。这类方法的稳定性可通过方法中动力反应时域递推计算格式传递矩阵传递因子的数值进行评估,传递因子的数值越小,方法的稳定性越好。针对饱和两相介质波动问题的两种时域显式有限元方法,基于其动力反应时域递推计算格式的传递矩阵的性质,在两相介质体系物理参数取值不同的条件下,对两种方法稳定性性质的差异进行了对比研究。结果表明：渗透系数的取值对两种时域显式有限元方法稳定性性质的差异具有较为显著的影响。当渗透系数取值较大时,两种方法的稳定性性质没有明显的差异;当渗透系数的取值较小时,两种方法的稳定性性质将表现出明显的差异,方法1的稳定性要优于方法2。     

基于统计本构关系的岩体弹性模量特征及影响因素分析

结构面是影响岩体弹性模量的主要因素。基于岩体结构面参数统计,结合岩体应变能推导出的节理岩体本构关系,能够真实地反映岩体弹性模量的弱化和各向异性。在此基础上,以吉图珲铁路隧道围岩为例,研究了岩体弹性模量特征及影响因素。结果表明,该岩体弹性模量的弱化和各向异性程度随应力轴线与结构面法线的夹角而变化,并在夹角值为54.5°时达到最大;同时,岩体弹性模量的弱化与结构面内摩擦角和黏聚力成反相关,与结构面平均半径和密度呈正相关。当结构面半径超过3 m时,岩体弹性模量弱化趋于稳定。应力环境对弹性模量同样有影响,围压的增大,可使岩体弹性模量增大,同时减小了其各向异性和弱化的程度。当围压达到2.32 MPa时,各向异性及弱化现象消失。     

基于离散元数值方法的砂土小应变弹性特性探讨

土体在非常小应变（小于10?6）时表现为线弹性。以往大量试验研究表明,土体的弹性特性主要受到土体有效围压、孔隙比、颗粒级配和试样制备方法等影响。通过离散元方法模拟Duffy和Mindlin中的物理试验,建立球形颗粒规则排列的三维模型,继而进行小变形条件下的数值加载试验来确定弹性特性,并从细观层面揭示决定土体弹性特性的内在因素。模拟结果表明：粒状土的弹性模量取决于土体的颗粒接触配位数、法向接触力的大小和分布,跟宏观土体孔隙比、有效围压作用相对应。弹性模量应力指数n高于Hertz-Mindlin接触法则对应的1/3,主要是由于应力增加过程中配位数的增加和接触力趋于更均匀导致。同时,泊松比也随着配位数的增加而减小,并非保持不变,跟试验结果趋势一致。     

线性分布基床系数弹性地基梁有限单元法改进

弹性地基梁法常用于研究土和结构的相互作用,对于均布荷载和边界条件简单的弹地基梁,采用理论解即可方便地进行计算。侧向荷载作用下桩体、嵌入式挡墙一般根据弹性地基梁理论进行分析,并假定基床系数随深度增加。对于基床系数呈线性分布或呈均匀分布但边界条件复杂的弹性地基梁理论求解困难,通常采用有限差分法或有限单元法近似求解。采用有限单元法计算线性分布基床系数弹性地基梁时,若单元划分数量不够,就存在计算精度不足的问题。采用加权余量法推导了更为精确的2节点5次位移函数和相应的单刚矩阵,得出了线性分布荷载作用下挠度的5次多项式近似解,从而实现只需划分很少的单元数,节点位移及单元内位移的分布即可达到较高的计算精度,极大地提高了计算效率,单元内力的分布可直接由位移函数导出,简化了后处理计算程序。     

基于绕射波的断层识别方法应用

基于相干和方差体识别断层的方法都是利用地震资料中的强信号,受地震资料分辨率的限制这些方法对断距较小的小断层无法准确识别。在地震资料中大型地质体的边界具有明显的反射特征,尺度较小的地质体如尖灭点、小断层等以绕射波或残留绕射的形式存在,能量较弱,被强反射所淹没。本方法利用平面波破坏滤波技术提取绕射波信息,该技术通过正则化反演迭代算法求取反射波倾角体,然后利用均值滤波的方法得到反射能量较强的平面波,将其从地震数据中去除,即可得到绕射波信息。利用绕射波信息则可以判断断层的发育程度及断裂系统组合样式。通过理论模型分析和实际资料应用验证了该方法的可行性和有效性。该方法具有一定的实际应用价值。     

基于节理网络有限元的柱状节理岩体等效变形模量结构效应研究

因其特殊的地质成因,柱状节理成为一种具有强烈非连续性及各向异性的特殊岩体结构。以白鹤滩水电工程设计、建设中所遇到的柱状节理玄武岩体为背景,针对柱状节理岩体的等效变形模量问题,在探讨了其结构效应表征参数的基础上,利用节理网络有限元为工具,研究各结构效应表征参数对柱状节理岩体等效变形模量的影响。研究结果表明：在柱轴线横向平面上,对于柱体不规则程度,当柱体完全不规则相对于完全规则情况,等效模量提高大约10%左右;在其他条件不变情况下,当柱体平均边长从0.1 m增加至0.5 m时,等效模量从5.36 GPa增加至23.4 GPa;对不同加载方向的研究结果表明,柱状节理在柱轴横向平面上可以视作各向同性;当节理刚度线性递增时,相应的岩体等效模量也基本符合线性递增的规律。在平行柱体轴线平面,节理组2间距越大,柱状节理岩体的等效变形模量越大;随着错距比的增加,柱状节理岩体的等效变形模量呈现先增加后减少的趋势,当错距比为50%时,节理岩体的等效变形模量取最大值;对于节理刚度的影响,与柱轴横向平面类似的,随柱体轴线平面上节理刚度的线性增加,相应的岩体模量也基本符合线性递增的规律。该研究成果与已有的现场研究成果及三维数值模型成果相比,吻合良好。说明了文中提供的研究结论具有较好的可信度及参考价值。     

基于BISQ模型的各向同性孔隙介质弹性波三维交错网格高阶有限差分数值模拟

从BISQ模型弹性波的本构方程和运动方程出发，推导出了基于BISQ模型的各向同性孔隙介质弹性波三维高阶交错网格有限差分算法，进行了数值模拟，在低频下能看到明显的快纵波、快横波和微弱慢纵波，在高频情况下可以看到明显的快纵波、快横波、慢纵波和慢横波。在三维情况下对比了xoz、xoy、yoz平面内的波场切片，并对平行xoz平面，不同y值处的波场切片进行了对比，结果证明三维数值模拟可以从不同角度更好地反映波场的传播特性。     

地下工程围岩稳定反馈分析研究

信息反馈施工方法在地下工程中被广泛地应用,但如何合理地应用监测数据仍是目前一个值得深入研究的问题。对地下工程施工监测数据提出了两种分析方法：一是在理论上讨论监测数据与洞周围岩性态的关系;二是对数据大小以及数据分布范围进行统计,通过分析得到洞周围岩变形规律。基于三维弹塑性损伤有限元方法,依据分析数据得到的信息,采用变尺度优化方法对地下工程进行反演分析,并对后续围岩变形进行合理地预测。通过对实际工程的分析,预测结果和监测数据变化规律基本一致,数值上吻合较好,因此为同类工程的信息反馈分析提供了一个有效地处理方法。