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、裂隙對巖體中應力波的傳播速度和衰減特性影響很大。由于巖體結構的破壞準則往往根據(jù)波振幅的門檻值(如位移峰值、質(zhì)點速度或加速度峰值)確定，因此在評價巖體及地下結構在動載條件下的抗震能力與破壞情況時，節(jié)理對應力波的衰減作用成為學者們最關心的問題。本文緊扣該主題，從巖石節(jié)理彈性非線性法向變形本構關系、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模型，引入半值應力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)學缺陷。以MalamaandKulatilake(2003)提出的統(tǒng)一指數(shù)模型為例，進一步闡明模型修正的必要性，同時通過數(shù)學推導指出該模型因采用對σn/σ1/2項添加冪函數(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)本構模型--改進的巖石節(jié)理彈性非線性法向變形本構關系，并建議了通過試驗結果求取新參數(shù)ξ的計算方法，同時利用已有的試驗結果對改進后的模型進行了驗證。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，將改進的節(jié)理彈性非線性法向變形本構關系推廣至動

4、態(tài)條件，基于Lemaitre假設獲得了縱波正向入射具有改進本構關系單節(jié)理時的透、反射系數(shù)近似解析解，對節(jié)理非線性程度對應力波的影響進行定性分析，同時指出前人關于通過此法獲得的解析解與數(shù)值計算結果完全一致的錯誤認識并闡明其原因。接著采用改進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，結合一維波動方程特征線法推導了節(jié)理處透、反射波質(zhì)點速度的數(shù)值差分格式并自編了計算程序，獲得了縱波透、反射波質(zhì)點速度時域解，進而得到透

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、入射波應力振幅σinc及頻率f等因素對節(jié)理透、反射系數(shù)影響進行探討的同時，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及延遲時間Tdel的影響，并結合UDEC離散元數(shù)值模擬對透射波時域波形畸變現(xiàn)象作了較深入的分析。運用n-j平面中左、右行特征線上各離散點的關聯(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)模型結合的方式，推導了平行多節(jié)理處透、反射波質(zhì)點速度的數(shù)值差分格式并自編了計算程序，獲得了縱波透、反射波質(zhì)點速度時域解，進而得到平行多節(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，同時結合時域半數(shù)值解對其尾波效應作了初步的研究與探討。 第三部分，結合某工程現(xiàn)場基巖及巖芯室內(nèi)聲波實驗，針對傳統(tǒng)Fourier變換方法對巖石聲波信號時頻分析能力差的特點，將具有多分辨率特點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、抗壓強度試驗、波速測試、聲波信號小波變換及