三维地应力岩石的应力波传播理论模型研究

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全国经济建设的迅速发展和全国范围内浅部资源的枯竭,深部地下空间资源成为重要的国土资源,深埋工程岩体赋存在变化的三维地应力环境中,外界扰动等产生的动荷载变化导致岩石具有不同的孔隙率和损伤演化程度、密度和弹性模量,进而改变岩石中应力波的传播衰减特性。本文应用等效介质法,通过修正Kelvin-Voigt模型,建立了三维地应力岩石的动态本构模型,构建了应力波在三维地应力岩石中传播的理论模型,通过应力波传播试验验证了理论模型。在验证模型的基础上,研究了三维地应力、动荷载和模型参数对应力波传播特性的影响并揭示其机理。主要研究内容和成果如下:(1)应用等效介质法,在Kelvin-Voigt模型的基础上,将损伤体视为由岩石孔隙体和骨架体组成,提出了岩石的动态本构模型和本构方程。基于一维应力波传播理论,根据动态本构方程推导了应力波在三维地应力岩石中传播的波动方程,利用谐波法解得应力波传播速度、空间衰减系数、响应频率与振动频率比值即频率比的谐波解。(2)进行不同三维地应力工况下的应力波传播试验,对试验数据进行处理,得到应力波传播速度、空间衰减系数、频率比的试验结果。基于试验基本参数,代入对应应力波传播特性表征量谐波解,得到理论结果。通过对比应力波传播速度、空间衰减系数和频率比的试验结果和理论结果,有效地验证了本文提出的应力波传播理论模型。(3)基于所提出和已验证的应力波传播理论模型,对岩石的等效弹性模量、应力波传播速度、空间衰减系数、频率比的谐波解进行参数研究。分别讨论了围压、轴向静应力和动荷载为单一变量下的应力波传播特性,并分别探讨了岩石孔隙体初始弹性模量、岩石骨架体初始弹性模量、岩石孔隙率、黏性系数、振动频率对应力波传播特性的影响,揭示了具有三维地应力岩石的应力波传播衰减机理。(4)变化的三维地应力和动荷载,导致岩石具有不同的孔隙率和损伤演化程度,从而导致岩石的密度和等效弹性模量发生变化,应力波的传播特性也随之改变。随着围压的增大,应力波传播速度先增大后不变,空间衰减系数先减小后不变,频率比先增大后不变;随着轴向静应力和动荷载的增大,应力波传播速度先增大后减小,空间衰减系数先减小后增大,频率比先增大后减小。本文所提出的应力波传播理论模型可以有效地研究应力波在三维地应力场中的传播特性,可为工程安全提供直接有效的理论参考,有助于地下工程爆破开挖时围岩体的结构稳定性分析和岩石物理力学参数的反演。
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