節(jié)理巖體中應力波傳播的動力特性研究.pdf

1、巖體中應力波的傳播和衰減是地下巖體工程領域一個十分復雜且非常重要的的課題,大型地下結構工程都與應力波或沖擊荷載作用下的巖體失穩(wěn)和應力波在節(jié)理巖體中的傳播息息相關,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,同時影響或控制著巖體的力學性能和動力特性,在大多數(shù)地下工程問題中居支配控制地位,考慮節(jié)理等結構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;進而,由于節(jié)理巖體中二維波的傳播復雜性,基于結合波前動量守恒理論和位移不連續(xù)方法的時域分析新方法,分析擴展應用于應力波在單個非線性節(jié)理、張開節(jié)理和多個非線性節(jié)理中傳播的研究中,運用數(shù)學、力學理論推導方法和數(shù)值模擬,系統(tǒng)地研究單個節(jié)理、多個節(jié)理、張開節(jié)理和非線性因素對應力波傳播的影響規(guī)律,獲得了一些新的理論方法和研究成果?；诂F(xiàn)有文獻總結出節(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、動力特性等,研究內(nèi)容主要包括:
　　(1)基于FLAC3D軟件,首次系統(tǒng)全面分析一維應力波在單個和多個平行節(jié)理巖體中的傳播規(guī)律。首先,分析了建模參數(shù)對數(shù)值模擬結果的影響,為選取合理的參數(shù)應用于動力學問題方面的研究提供了依據(jù)。通過FLAC3D模型選取了模擬實際節(jié)理的三種模型:抗拉粘結模型、膠合模型和粘結滑移模型,進而建立一維應力波在節(jié)理巖體中的傳播模型,考慮了節(jié)理不同剛度、非線性滑移和兩個線性節(jié)理對波傳播規(guī)律的影響,并結合理論結果,

4、探討數(shù)值模擬的可行性,使FLAC3D更好地應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)理界面之間的應力變形關系,時域內(nèi)理論推導了二維縱波在非線性變形節(jié)理中傳播的波動方程。理論研究綜合考慮應力波入射角、節(jié)理變形非線性等因素的影響。
　　(3)結合節(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時二維縱波和橫波在巖體節(jié)理中的傳播理論模型,時域范圍內(nèi)推導了縱波和橫波斜入射巖體節(jié)理面時的波動傳播方程。理論研究能同時考慮入射角、剪切滑移等因素的影響,能有效分析剪切滑移效應對應力波能量衰減規(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)理實際的力學性能?；谝延械慕馕瞿Ｐ?引入節(jié)理的彈簧剛度模型考慮應力波和張開節(jié)理的相互作用,時域內(nèi)推導了二維應力波在張開節(jié)理中傳播的波動方

6、程。所建立的方程能方便分析短持時應力波在張開節(jié)理處的能量傳播規(guī)律,所建立的修正模型能更真實的反映張開節(jié)理在工程實際中的受力狀態(tài)。
　　(5)考慮到多條節(jié)理巖體中波動問題的多樣性和復雜性,探索性地建立了二維應力波在兩個節(jié)理巖體中傳播的數(shù)值差分模型。同時考慮節(jié)理變形的非線性特征,理論推導了應力波在兩個平行非線性變形節(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。