節(jié)理巖體中應(yīng)力波傳播的動(dòng)力特性研究.pdf

1、巖體中應(yīng)力波的傳播和衰減是地下巖體工程領(lǐng)域一個(gè)十分復(fù)雜且非常重要的的課題,大型地下結(jié)構(gòu)工程都與應(yīng)力波或沖擊荷載作用下的巖體失穩(wěn)和應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播息息相關(guān),該課題已成為巖土工程界熱門的前沿課題之一。眾所周知,節(jié)理廣泛存在于地下巖體中,同時(shí)影響或控制著巖體的力學(xué)性能和動(dòng)力特性,在大多數(shù)地下工程問題中居支配控制地位,考慮節(jié)理等結(jié)構(gòu)面的影響是有效解決巖體工程問題的必要途徑。首先,本文探討FLAC3D數(shù)值軟件模擬一維波在節(jié)理巖體中傳播規(guī)律

2、的方法,并論證其可行性;進(jìn)而,由于節(jié)理巖體中二維波的傳播復(fù)雜性,基于結(jié)合波前動(dòng)量守恒理論和位移不連續(xù)方法的時(shí)域分析新方法,分析擴(kuò)展應(yīng)用于應(yīng)力波在單個(gè)非線性節(jié)理、張開節(jié)理和多個(gè)非線性節(jié)理中傳播的研究中,運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)理論推導(dǎo)方法和數(shù)值模擬,系統(tǒng)地研究單個(gè)節(jié)理、多個(gè)節(jié)理、張開節(jié)理和非線性因素對(duì)應(yīng)力波傳播的影響規(guī)律,獲得了一些新的理論方法和研究成果。基于現(xiàn)有文獻(xiàn)總結(jié)出節(jié)理的非線性主要表現(xiàn)為:閉合節(jié)理變形的非線性特性、剪切滑移特性以及張開節(jié)理的

3、動(dòng)力特性等,研究?jī)?nèi)容主要包括:
　　(1)基于FLAC3D軟件,首次系統(tǒng)全面分析一維應(yīng)力波在單個(gè)和多個(gè)平行節(jié)理巖體中的傳播規(guī)律。首先,分析了建模參數(shù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響,為選取合理的參數(shù)應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)問題方面的研究提供了依據(jù)。通過FLAC3D模型選取了模擬實(shí)際節(jié)理的三種模型:抗拉粘結(jié)模型、膠合模型和粘結(jié)滑移模型,進(jìn)而建立一維應(yīng)力波在節(jié)理巖體中的傳播模型,考慮了節(jié)理不同剛度、非線性滑移和兩個(gè)線性節(jié)理對(duì)波傳播規(guī)律的影響,并結(jié)合理論結(jié)果,

4、探討數(shù)值模擬的可行性,使FLAC3D更好地應(yīng)用于地下工程問題的研究。
　　(2)考慮閉合節(jié)理變形的非線性特性,引入節(jié)理非線性法向變形本構(gòu)模型(BB模型),建立了節(jié)理的非線性位移不連續(xù)模型。依據(jù)所建立的非線性模型,利用波前和節(jié)理界面之間的應(yīng)力變形關(guān)系,時(shí)域內(nèi)理論推導(dǎo)了二維縱波在非線性變形節(jié)理中傳播的波動(dòng)方程。理論研究綜合考慮應(yīng)力波入射角、節(jié)理變形非線性等因素的影響。
　　(3)結(jié)合節(jié)理面摩擦滑移的條件,選取線性化剪切滑移模型,

5、建立考慮剪切滑移效應(yīng)時(shí)二維縱波和橫波在巖體節(jié)理中的傳播理論模型,時(shí)域范圍內(nèi)推導(dǎo)了縱波和橫波斜入射巖體節(jié)理面時(shí)的波動(dòng)傳播方程。理論研究能同時(shí)考慮入射角、剪切滑移等因素的影響,能有效分析剪切滑移效應(yīng)對(duì)應(yīng)力波能量衰減規(guī)律的影響。
　　(4)通過修正已有的張開節(jié)理中波傳播的解析模型,使之能更好反映張開節(jié)理實(shí)際的力學(xué)性能。基于已有的解析模型,引入節(jié)理的彈簧剛度模型考慮應(yīng)力波和張開節(jié)理的相互作用,時(shí)域內(nèi)推導(dǎo)了二維應(yīng)力波在張開節(jié)理中傳播的波動(dòng)方

6、程。所建立的方程能方便分析短持時(shí)應(yīng)力波在張開節(jié)理處的能量傳播規(guī)律,所建立的修正模型能更真實(shí)的反映張開節(jié)理在工程實(shí)際中的受力狀態(tài)。
　　(5)考慮到多條節(jié)理巖體中波動(dòng)問題的多樣性和復(fù)雜性,探索性地建立了二維應(yīng)力波在兩個(gè)節(jié)理巖體中傳播的數(shù)值差分模型。同時(shí)考慮節(jié)理變形的非線性特征,理論推導(dǎo)了應(yīng)力波在兩個(gè)平行非線性變形節(jié)理巖體中的傳播方程。建立的方程能方便分析不同因素對(duì)波傳播規(guī)律的影響特征,包括節(jié)理變形的非線性、入射角和節(jié)理間間距等。