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不同地应力下应力波在粗糙节理处的传播规律研究

2020-12-02阅读(473)

不同地应力下应力波在粗糙节理处的传播规律研究

论文摘要

节理对岩体强度特性与变形特性均有重要影响。地应力作用下深部岩体节理表现为闭合隐性特征,在地震、爆炸等荷载作用下会产生张开与滑移,对岩体的稳定性极为不利。考虑天然节理粗糙性,本文结合数值模拟与理论分析方法,研究了应力波在不同地应力下粗糙节理处的传播规律,具体研究工作如下:(1)通过与理论对比,验证了采用离散元软件UDEC模拟剪切波在充填节理处传播的可行性,采用中线截距平均值S_m和起伏均方根R_q生成不同粗糙程度的节理,对S波垂直入射粗糙充填节理的影响参数进行了数值研究。发现节理粗糙度对透射系数的影响与充填厚度密切相关,其中节理起伏均方根R_q的影响更大。当考虑充填材料的破坏时,发现在平直充填节理出现滑移后,透射波波幅与充填节理的强度有关,而与入射波波幅无关。(2)考虑地应力的影响,基于时域递归分析法,分别采用节理连续屈服模型(CY模型)与节理BB模型推导了S波与P波入射非线性节理的波动方程,所得理论解与UDEC模拟结果具有较好的一致性。(3)基于节理CY模型,通过UDEC对节理刚度、粗糙度、入射波波幅及频率等参数对S波在深部节理处传播规律的影响展开了研究。发现随着节理切向刚度、粗糙度及地应力的增大,透射系数均增加;侧压力系数对透射系数的影响具有阶段性,当侧压力系数不大于1时,透射系数随着侧压力系数的增加而增加,而当侧压力系数超过1,透射系数随着侧压力系数的增加而减少。当考虑节理的非线性及塑性变形特征时,应力波衰减规律受到波幅及地应力的综合作用。当地应力足够大时,应力波传播规律与入射波波幅基本无关。(4)基于BB节理模型,考虑了节理刚度、入射波波幅及角度等参数的影响,研究了不同地应力下P波斜入射一组平行非线性粗糙节理的传播规律。发现节理越粗糙,初始法向刚度越大,P波在节理处的衰减越小;透射系数随着侧压力系数增加而增加,且当侧压力系数大于1时,增加幅度减小。入射角度的影响对地应力有着较大的依赖性。当地应力较小且入射波波幅到达某特定值前,随着波幅的增加,透射系数增加,且地应力越小,增加幅度越大。而当地应力大于30MPa后,入射波波幅对应力波衰减规律的影响可以忽略。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 应力波在节理处传播规律的理论研究
  •     1.2.2 应力波在节理处传播规律的试验研究
  •     1.2.3 应力波在节理处传播规律的数值模拟研究
  •     1.2.4 初始地应力下节理岩体中应力波传播规律的研究
  •     1.2.5 节理表面形貌描述研究
  •   1.3 本文主要研究内容及技术路线
  •     1.3.1 主要研究内容
  •     1.3.2 论文研究方法与技术路线
  • 第二章 节理本构模型及离散元法原理
  •   2.1 节理本构模型
  •     2.1.1 库伦滑移模型
  •     2.1.2 连续屈服模型
  •     2.1.3 双曲线Barton-Bandis模型
  •   2.2 离散单元法及UDEC计算软件简介
  •     2.2.1 离散单元法
  •     2.2.2 UDEC计算软件简介
  •     2.2.3 UDEC建模以及求解过程
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 S波垂直入射粗糙充填节理的透射性能研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 UDEC模拟S波在充填节理处传播规律的可靠性验证
  •     3.2.1 考虑节理面剪切强度时S波在充填节理处的传播方程
  •     3.2.2 UDEC验证模型建立
  •     3.2.3 UDEC模拟结果与理论分析对比
  •   3.3 含粗糙充填节理岩体数值模型的建立
  •     3.3.1 随机粗糙节理模型
  •     3.3.2 随机粗糙充填节理模型
  •     3.3.3 UDEC模拟S波在随机粗糙充填节理处传播规律
  •   3.4 参数分析
  •     3.4.1 剪切强度对透射波的影响
  •     3.4.2 入射波波幅对透射波的影响
  •     3.4.3 充填厚度对透射波的影响
  • m与节理起伏均方根Rq对透射系数的影响'>    3.4.4 中线截距平均值Sm与节理起伏均方根Rq对透射系数的影响
  •     3.4.5 粗糙度和充填厚度对透射系数的共同影响
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 不同地应力下S波垂直入射粗糙节理的透射性能研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 地应力下S波穿越非线性节理的传播方程推导及数值验证
  •     4.2.1 地应力下S波垂直入射非线性节理的传播方程推导
  •     4.2.2 UDEC验证模型建立
  •     4.2.3 UDEC模拟结果与理论分析对比
  •   4.3 初始地应力下S波入射粗糙节理模型的建立
  •   4.4 参数分析
  •     4.4.1 地应力对透射系数的影响
  •     4.4.2 节理粗糙度对透射系数的影响
  •     4.4.3 节理初始切向刚度对透射系数的影响
  •     4.4.4 入射波波幅对透射系数的影响
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 不同地应力下P波斜入射粗糙节理的透射性能研究
  •   5.1 引言
  •   5.2 不同地应力下P波斜入射非线性节理的传播方程推导及数值验证
  •     5.2.1 不同地应力下P波入射非线性节理的传播方程推导
  •     5.2.2 UDEC验证模型建立
  •     5.2.3 UDEC模拟结果与理论分析对比
  •   5.3 初始地应力下P波入射粗糙节理模型建立
  •   5.4 参数分析
  •     5.4.1 地应力对透射系数的影响
  •     5.4.2 入射波角度对透射系数的影响
  •     5.4.3 入射波波幅对透射系数的影响
  •   5.5 本章小结
  • 第六章 结论与展望
  •   6.1 结论
  •   6.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 硕士期间参与的主要科研项目及发表成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 刘斓

    导师: 孙吉主

    关键词: 粗糙节理,应力波,地应力,透射系数,节理本构模型

    来源: 武汉理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 地质学,建筑科学与工程

    单位: 武汉理工大学

    分类号: TU45

    DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000931

    总页数: 89

    文件大小: 2316K

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