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天然岩体成分构成复杂,含有大量的孔洞、裂纹等缺陷,是一种应用范围广泛的基本工程材料。早有理论研究表明,弹性波在缺陷岩体中传播时会与其中包含的规则夹杂物、裂纹等发生相互作用,并推导出了一些诸如散射波、散射位移场和应力场以及散射截面的数学表达形式。考虑到自然状态下,岩体由于自重和地质构造等等原因一般处于复杂的地应力状态下,因而会对弹性波在岩体中的传播产生一定的影响。 混凝土基体的力学性能与岩石较为接近,可以模拟岩石骨架部分;EPS颗粒非常柔软且轻,其弹性参数远远低于混凝土基体材料,可以用来模拟岩石中所含的孔洞等缺陷或者是其他软弱填充物。以EPS混凝土为模型材料,对EPS颗粒粒径分别为1mm、2mm和3mm的三类EPS混凝土进行不同载荷和不同频率下的声波测试,研究载荷和频率对于弹性波传播的影响。实验结果表明,p波波速随载荷增加在开始加载阶段有较明显的增大趋势;当试件相对密实,波速增加不明显。s波波速有相同的增加趋势,但波速增加幅度比p波波速增加的小得多。 鉴于复合材料结构的复杂性,应用有限元软件来数值分析EPS混凝土加载不同频率的弹性正弦波载荷时,弹性波在复合材料中的传播情况。分别建立了EPS颗粒按理想方式分布的模型、由试件剖面照片数值化得到的试件模型,以及有预加载荷作用下的试件模型等三种EPS混凝土的计算模型,由此研究了EPS颗粒大小和EPS颗粒的体积含量(模拟孔隙率)对EPS混凝土在弹性波作用下的频散效应的影响,进一步研究了预加载荷作用对于频散效应的影响。计算结果表明:加载波长与孔径的比值在某一特定范围之内时,有比较显著的频散效应;孔隙率为20%时频散效应比较明显。在未加载荷作用的情况下,当弹性入射波的主频分别为50kHz、300kHz和1MHz时,50kHz时对应的频散现象较为明显,而1MHz时对应的主频基本保持不变。有弹性预加载荷作用时,初步研究结果表明:频移主要发生在低频区域,而且随着预加载荷的增大,频散范围越来越大。 为适应工程应用的需要,对复杂介质中弹性波的经典理论进行了简单回顾,然后基于徐松林等提出的一个无量纲的理论公式,进一步讨论了与材料和载荷有关的三个参数(孔隙率Φ、散射体的特征尺寸D0和有缺陷材料的等效介质波速Cu)对于波速的影响,并与EPS的试件数据加以比较。得出结论:孔隙率和散射体的特征尺寸会随着载荷的增加而减小,达到恒定值;材料的等效介质波速则随着载荷的增加而减小,最终也达到恒定值。同种载荷下,波速随频率的增加而增加;在同一频率下,波速随着载荷的增大而增大。在低频范围内,材料的孔隙率的降低和等效介质波速增加,都会导致波速越大;介质特征尺寸的减小会使频率共振区域向高频方向移动。