節(jié)理裂隙巖體中彈性縱波傳播規(guī)律的若干問題研究.pdf

1、節(jié)理、裂隙對巖體中應(yīng)力波的傳播速度和衰減特性影響很大。由于巖體結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)則往往根據(jù)波振幅的門檻值(如位移峰值、質(zhì)點(diǎn)速度或加速度峰值)確定，因此在評價(jià)巖體及地下結(jié)構(gòu)在動(dòng)載條件下的抗震能力與破壞情況時(shí)，節(jié)理對應(yīng)力波的衰減作用成為學(xué)者們最關(guān)心的問題。本文緊扣該主題，從巖石節(jié)理彈性非線性法向變形本構(gòu)關(guān)系、節(jié)理非線性變形及變形非線性程度對彈性縱波在單節(jié)理和平行多節(jié)理中傳播規(guī)律的影響、裂隙巖石(體)聲波信號的小波分析與應(yīng)用三大方面展開研究。

2、 第一部分，回顧已有的幾類單調(diào)加載條件下節(jié)理非線性法向變形本構(gòu)模型，引入半值應(yīng)力σ1/2的概念，著重探討了BB模型、經(jīng)典指數(shù)模型σ1/2不可調(diào)的數(shù)學(xué)缺陷。以MalamaandKulatilake(2003)提出的統(tǒng)一指數(shù)模型為例，進(jìn)一步闡明模型修正的必要性，同時(shí)通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)指出該模型因采用對σn/σ1/2項(xiàng)添加冪函數(shù)n的修正方式而丟失節(jié)理初始剛度Kni的物理意義。分析并建立了巖石節(jié)理法向閉合與切線柔度關(guān)系曲線的控制微分方程，定義了擬節(jié)

3、理最大允許閉合量Dma=ξdma的概念，提出一種新的三參數(shù)本構(gòu)模型--改進(jìn)的巖石節(jié)理彈性非線性法向變形本構(gòu)關(guān)系，并建議了通過試驗(yàn)結(jié)果求取新參數(shù)ξ的計(jì)算方法，同時(shí)利用已有的試驗(yàn)結(jié)果對改進(jìn)后的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。將新模型拓展到循環(huán)加、卸載條件下，考慮巖體節(jié)理而的復(fù)雜性，修正了以往模型對曲線形式做出硬性假定的方式，使其具有更廣泛的適用性。 第二部分，在不考慮加載速率對節(jié)理變形行為影響的情況下，將改進(jìn)的節(jié)理彈性非線性法向變形本構(gòu)關(guān)系推廣至動(dòng)

4、態(tài)條件，基于Lemaitre假設(shè)獲得了縱波正向入射具有改進(jìn)本構(gòu)關(guān)系單節(jié)理時(shí)的透、反射系數(shù)近似解析解，對節(jié)理非線性程度對應(yīng)力波的影響進(jìn)行定性分析，同時(shí)指出前人關(guān)于通過此法獲得的解析解與數(shù)值計(jì)算結(jié)果完全一致的錯(cuò)誤認(rèn)識并闡明其原因。接著采用改進(jìn)模型建立法向入射縱波(不考慮剪切變形)在單節(jié)理處傳播的位移不連續(xù)模型，結(jié)合一維波動(dòng)方程特征線法推導(dǎo)了節(jié)理處透、反射波質(zhì)點(diǎn)速度的數(shù)值差分格式并自編了計(jì)算程序，獲得了縱波透、反射波質(zhì)點(diǎn)速度時(shí)域解，進(jìn)而得到透

5、、反射系數(shù)半數(shù)值解，依此探討縱波在彈性半空間中單節(jié)理處的傳播過程及特征。在對節(jié)理法向初始切線剛度Kni、節(jié)理閉合量dn與最大允許閉合量dma間的比值γ、入射波應(yīng)力振幅σinc及頻率f等因素對節(jié)理透、反射系數(shù)影響進(jìn)行探討的同時(shí)，著重分析了模型非線性程度的改變對透射系數(shù)、透射波能量etra及延遲時(shí)間Tdel的影響，并結(jié)合UDEC離散元數(shù)值模擬對透射波時(shí)域波形畸變現(xiàn)象作了較深入的分析。運(yùn)用n-j平面中左、右行特征線上各離散點(diǎn)的關(guān)聯(lián)模型，考慮節(jié)

6、理間縱波的多重反射、透射與疊加作用，沿用特征線法與位移不連續(xù)模型結(jié)合的方式，推導(dǎo)了平行多節(jié)理處透、反射波質(zhì)點(diǎn)速度的數(shù)值差分格式并自編了計(jì)算程序，獲得了縱波透、反射波質(zhì)點(diǎn)速度時(shí)域解，進(jìn)而得到平行多節(jié)理下透、反射系數(shù)半數(shù)值解，對具有線性及非線性變形行為平行多節(jié)理處垂直入射縱波的傳播特征進(jìn)行理論研究。在不考慮節(jié)理間距影響情況下，分析了節(jié)理數(shù)N對透射系數(shù)、透射波能量etra及延遲時(shí)tdel對模型非線性程度依賴性的影響；在考慮節(jié)理間距影響情況下，

7、從透射波能量的角度提出了臨界值ξetracri的概念，同時(shí)結(jié)合時(shí)域半數(shù)值解對其尾波效應(yīng)作了初步的研究與探討。 第三部分，結(jié)合某工程現(xiàn)場基巖及巖芯室內(nèi)聲波實(shí)驗(yàn)，針對傳統(tǒng)Fourier變換方法對巖石聲波信號時(shí)頻分析能力差的特點(diǎn)，將具有多分辨率特點(diǎn)的小波分析方法引入巖石聲波信號的頻譜分析中，編制了MATLAB小波分析程序，并通過比較重構(gòu)信號和原始信號誤差的方式確定最優(yōu)小波基。采用節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、波速測試、聲波信號小波變換及