节理动态闭合变形性质及应力波在节理处的传播

论文摘要

在“973”项目(2002CB412703)子课题的资助下，本文从试验、理论和数值模拟三方面对节理动态闭合变形性质和应力波在节理处的传播规律进行了深入而系统的研究。 首先，在Instron1342型电液伺服材料试验机上对表面含两排锯齿、三排锯齿和四排锯齿的人工节理试样和与节理试样具有相同几何尺寸的无节理试样进行了法向压缩试验、循环压缩试验和4种不同频率(0.005Hz、0.01Hz、0.05Hz和0.1Hz)载荷作用下的动态压缩试验，获得了加载频率和表面形态对节理闭合变形性质的影响规律。 用五种常用的函数方程对节理动态压缩试验数据进行拟合，找出了用来描述人工节理动态压缩闭合变形性质的最佳经验模型。通过对试验数据的分析，研究了模型参数与载荷频率之间的关系，从而建立了考虑率效应的节理动态经验本构模型，并进行试验验证。 从波的弹性位移方程出发，推导了线弹性位移不连续模型，然后引入节理非线性法向变形本构关系和等效位移假设，建立了节理非线性位移不连续模型。依据所建立的非线性模型，获得了纵波在非线性法向变形节理处传播的透、反射系数的解析解。利用该解析解，研究了节理初始刚度、节理闭合量与最大允许闭合量的比率以及入射波频率对透、反射系数的影响规律，与他人的数值计算结果吻合很好。 通过对应力波与张开节理相互作用过程的分析，在忽略张开节理闭合时的动能且假设其同时完全闭合的基础上，建立了应力波在张开节理处传播的简化模型，利用该模型，研究了应力波幅值、空隙宽度、入射角、波阻抗比和应力波持续时间对正弦波、矩形波和三角形波在张开节理处传播时的能量传递系数的影响规律。 在研究了模型参数：单元尺寸、边界条件、刚度系数、系数β、节理本构模型和节理有无抗拉强度对三维离散元(3DEC)动态建模结果的影响的基础上，用3DEC对垂直入射一维正弦剪切波和压缩波在无节理、含一线性变形节理、含二平行线性变形节理和含夹层的岩体中的传播进行了模拟，并对模拟结果进行了分析。 在工程应用方面，依据边坡的实际几何形状，考虑边坡体内部的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状及进展
• 1.2.1 节理表面形态描述
• 1.2.2 节理法向闭合性质
• 1.2.3 节理剪切强度和剪切变形性质
• 1.2.4 节理对应力波传播的影响
• 1.2.5 节理岩体动态响应的离散元模拟
• 1.3 研究内容
• 第二章 节理动态闭合变形性质的试验研究
• 2.1 概述
• 2.2 试验技术
• 2.2.1 试样制备
• 2.2.2 试验装置
• 2.2.3 试验过程和步骤
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 无节理试样法向压缩试验结果
• 2.3.2 节理循环压缩试验结果
• 2.3.3 节理动态压缩试验结果
• 2.4 小结
• 第三章 节理动态闭合变形的本构模型
• 3.1 概述
• 3.2 不同频率载荷作用下的节理闭合变形的经验模型
• 3.2.1 描述节理闭合变形的常用函数
• 3.2.2 节理动态闭合变形试验数据的拟合
• 3.2.3 经验模型的修正
• 3.3 修正模型的试验验证
• 3.4 小结
• 第四章 非线性法向变形节理对弹性纵波传播的影响
• 4.1 概述
• 4.2 垂直纵波在非线性法向变形节理处的传播
• 4.2.1 节理法向变形的双曲线方程
• 4.2.2 线性位移不连续模型
• 4.2.3 位移等效假设
• 4.2.4 纵波垂直入射到非线性变形节理处的透反射解
• 4.3 参数研究
• 4.3.1 初始刚度和节理闭合量比率对透反射系数的影响
• 4.3.2 频率和节理闭合量比率对透反射系数的影响
• 4.3.3 入射能量的分配
• 4.4 小结
• 第五章 不同应力波在张开节理处的传播
• 5.1 概述
• 5.2 应力波与张开节理的相互作用过程
• 5.3 应力波在张开节理处传播的解析模型
• 5.3.1 自由反射阶段
• 5.3.2 透射阶段
• 5.3.3 程序的编制
• 5.4 不同应力波在张开节理处的能量传递规律
• 5.4.1 几种应力波的形式
• 5.4.2 波幅对能量传递系数的影响
• 5.4.3 入射角对能量传递系数的影响
• 5.4.4 空隙宽度对能量传递系数的影响
• 5.4.5 波阻抗对能量传递系数的影响
• 5.4.6 持续时间对能量传递系数的影响
• 5.5 小结
• 第六章 一维波在节理和夹层处传播的离散元模拟
• 6.1 概述
• 6.2 模型参数研究
• 6.2.1 一维正弦压缩波在无节理的有限长岩杆中传播的离散元计算模型
• 6.2.2 单元尺寸大小的选择
• 6.2.3 边界条件
• 6.2.4 一维正弦压缩波在含一节理的有限长岩杆中传播的离散元计算模型
• 6.2.5 常法向刚度模型
• 6.2.6 连续屈服模型
• 6.3 一维波在节理和夹层处传播的离散元模拟
• 6.3.1 模拟方案
• 6.3.2 模拟结果及讨论
• 6.4 小结
• 第七章 工程应用
• 7.1 引言
• 7.2 工程地质条件
• 7.3 离散元计算模型及参数的选取
• 7.3.1 计算模型及约束边界
• 7.3.2 岩体力学模型和参数
• 7.3.3 爆破载荷的确定
• 7.3.4 模型单元网格的化分
• 7.4 模拟结果及分析
• 7.5 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文结论
• 8.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及成果