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节理是一种常见的岩体结构面,会对应力波的传播产生明显的影响。当波传播至地表面时将引起地表运动,也对地表的建、构筑物的安全稳定产生威胁。因此,对于应力波在节理岩体中的传播规律以及引起地表面振动的研究在岩石工程特别是采矿工程和地下工程具有重要的意义。 实际工程中,柱状装药爆破产生的应力波通常会以柱面波的形式在岩体中传播。与平面波相比,柱面波在传播过程中会产生明显的几何衰减,另外,当柱面波作用于节理时,到达节理的各点的波束的入射速度不同,入射角度也不相同;使得柱面波在节理岩体中的传播更加复杂。本文通过理论方法和数值模拟对柱面波在节理岩体中的传播特性以及引起的地表面的振动等问题开展了研究工作。 首先,基于时域递归分析方法(TDRM)对柱面波与单个线弹性节理的相互作用进行了分析,考虑到柱面波的几何衰减特性,建立了柱面波的传播方程。采用UDEC数值模拟软件建立了柱面波在岩体中传播的数值计算模型,并对柱面波在单个节理岩体中的传播进行了模拟。通过理论和数值方法对影响柱面波传播的因素进行了参数分析。 其次,对于两条非平行的线弹性节理之间波的传播过程进行了详细的分析,采用TDRM方法在时域范围内得到了各个波的传播表达式,最后,借助于波的叠加原理,得到了波在经过两条非平行节理的透射系数和反射系数的表达式。计算并分析了节理特性及分布等因素对波传播的影响。通过与UDEC模拟结果的对比,验证了本文中提出的分析应力波在非平行节理中传播的理论方法的合理性。由于柱面波在多节理中的传播比较复杂,因此,采用UDEC对柱面波在一组节理以及多组交叉节理中的传播进行了数值模拟研究。并对节理特性、入射波特性等因素对波传播的影响进行了研究分析,得到了相应的变化规律。 然后,针对节理与地表面不平行的情况,对平面P波入射节理后节理与地表面之间波的传播过程进行了分析,通过理论方法建立了地表面各质点振动的表达式。通过参数分析分别讨论了地表面不同位置处质点振动的变化规律以及节理刚度、入射角度及入射波频率等因素对地表面质点峰值振动速度(PPV)的影响。 最后,采用UDEC分别对柱面P波入射单个、单组和多组节理岩体引起的表面振动进行了数值模拟计算。计算结果表明,节理的存在,并不一定会由于对波的衰减作用使得地表面的振动速度减小,反而个别点的峰值振动速度由于节理与地表面之间的多重反射波以及表面波的叠加效应导致相比无节理时振动速度的增大。另外,节理倾角对PPV产生相当大的影响。除波源上部的点外,当监测点的位置角与节理分布倾角相等时,此时该点处的竖直PPV分量可能达到最大值。因此,工程实践中,当监测地表PPV时应当充分考虑爆源位置以及场地的节理分布。