具有轴向静载的变截面岩石应力波传播特性

论文摘要

针对天然岩块几何形貌复杂、岩体遭受地应力作用的工程实际,为了爆破施工中能够达到最佳破岩效果和便于围岩稳定性分析,研究了具有轴向静载的变截面岩石应力波传播特性。首先,通过理论分析,研究了由于杆件发生弹性变形,轴向静载对阶梯型杆的透射系数和连续变截面杆的应力波传播系数的影响。结果表明:轴向静载能够增强应力波在变截面杆中的传播能力;变截面率、弹性模量、泊松比决定了杆件的初始变形大小,进而影响了应力波的传播。其次,基于弹性杆的分析结果,考虑岩石密度、动态弹性模量、纵波波速与初始应力的关系,分别建立了阶梯型岩石和连续变截面岩石的应力波传播模型,研究了由于轴向静载导致岩石发生不同程度的初始变形,岩石应力波的透射系数和幅值衰减的演化规律。结果表明:轴向静载显著影响应力波的时域和频域传播衰减特征,随轴向静载的增大,阶梯型岩石应力波幅值的透射系数和连续变截面岩石的幅值衰减系数均表现为“先减小后增大”;轴向静载、岩石几何形貌、变截面率共同决定了幅值衰减系数大小及其空间变化特征。然后,设计并开展了具有轴向静载变截面红砂岩的应力波传播实验,研究了初始应力和变截面共同对应力波波形、幅值空间衰减及频率相关性等特性的影响,与理论结果进行了定性对比。结果表明:静应力越大,应力波波形下降沿越陡,卸载应力峰值越大。同一测点幅值随静应力的增大而先快速减小后缓慢变化。随静应力的增加,响应幅值和幅值衰减系数均先快速减小,后缓慢变化。响应幅值对红砂岩的变截面率变化不敏感,而幅值衰减系数随静应力的变化率与变截面率呈正相关。在频域内,随着静应力的增加,频谱图由陡变缓,各频率波的幅值也呈现由快速减小到缓慢变化的特征,低频波幅值受静应力的影响更为明显。最后,基于理论、实验和数值计算三方面的研究结果,探索了具有轴向静载下变截面岩石的应力波幅值衰减机理。具有轴向静载下变截面岩石的应力波幅值衰减分为几何衰减和物理衰减,几何衰减与初始应力和扰动幅值均无关,初始应力影响岩石的物理衰减。岩石的几何特征决定微孔隙、静应力沿轴向的分布,静应力又决定了岩石孔隙的压密程度。孔隙压密程度是决定应力波能量衰减的本质因素,几何特性和初始应力均是导致岩石应力波传播规律改变的直接原因。

论文目录

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 变截面杆中应力波传播规律的研究

1.2.2 岩石（体）中应力波传播规律的研究

1.2.3 初始应力对岩石（体）中应力波传播影响的研究

1.3 本文主要研究内容

1.4 技术路线

第二章具有轴向静载变截面弹性杆中应力波传播的理论研究

2.1 阶梯型弹性杆中应力波的透射

2.1.1 无轴向静载阶梯型杆的应力波透射系数

2.1.2 具有轴向静载阶梯型杆的应力波透射系数

2.1.3 轴向静载对阶梯型杆透射系数的影响

2.2 连续变截面弹性杆的应力波传播

2.2.1 无轴向静载连续变截面杆的应力波传播模型

2.2.2 具有轴向静载连续变截面杆的应力波传播模型

2.2.3 轴向静载对连续变截面杆传播系数的影响

2.3 本章小结

第三章具有轴向静载变截面岩石中应力波的传播理论研究

3.1 具有轴向静载阶梯型岩石中应力波的透射

3.1.1 岩石密度、纵波波速与静应力的关系

3.1.2 轴向静载对阶梯型岩石透射系数的影响

3.2 具有轴向静载连续变截面岩石的应力波传播模型

3.2.1 波动方程的建立

3.2.2 波动方程的谐波解

3.3 具有轴向静载连续变截面岩石的应力波传播特性

3.3.1 应力波幅值的衰减

3.3.2 应力波幅值衰减的空间相关性

3.3.3 应力波传播的频散特性

3.3.4 不同几何形貌岩石的幅值衰减对比

3.4 本章小结

第四章具有轴向静载变截面岩石的应力波传播实验研究

4.1 应力波传播实验

4.1.1 试件制备

4.1.2 实验装置

4.1.3 静应力设置

4.1.4 实验方法

4.2 实验结果

4.2.1 具有轴向静载变截面红砂岩的应力波波形

4.2.2 具有轴向静载变截面红砂岩的应力波幅值

4.3 幅值的空间衰减及轴向静应力对其影响

4.3.1 应力波幅值的空间衰减

4.3.2 轴向静载对幅值衰减的影响

4.3.3 应力波幅值的频率相关性变化

4.4 本章小结

第五章具有轴向静载变截面岩石的应力波传播衰减机理

5.1 应力波幅值的几何衰减

5.2 轴向静载对物理衰减的影响

5.2.1 物理衰减的描述

5.2.2 物理衰减与轴向静应力的关系

5.2.3 单位静应力增量下的物理衰减

5.3 本章小结

第六章结论与展望

6.1 全文结论

6.2 研究展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 袁伟

导师: 金解放

关键词: 应力波,轴向静载,变截面,透射系数,幅值衰减

来源: 江西理工大学

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: 江西理工大学

分类号: TU452

总页数: 87

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具有轴向静载的变截面岩石应力波传播特性

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