断续节理岩体应力波传播的理论与数值研究

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在岩体工程施工、爆破作业以及地震灾害的作用下,岩体受到动态扰动,扰动以应力波的形式传播,影响着岩体工程结构的安全性和稳定性。在应力波传播过程中,节理等不连续面是导致应力波振幅衰减、相位变化以及波速减慢的主要原因,因此充分探究节理对应力波传播的影响是十分必要的。目前,节理岩体应力波传播的研究局限于贯通节理,然而在工程岩体中,大部分节理并非完全贯通,而是以断续形式存在,因此,研究断续节理岩体中的应力波传播和衰减规律,对岩土工程、防护工程、地质工程等有着非常重要的指导意义。在理论研究方面,基于位移非连续模型和角谱衍射理论,提出了应力波通过单条断续节理后的波动方程表达式。利用位移非连续模型计算波通过断续节理时的透射率函数,进而得到节理面透射波的波动方程,并以此作为衍射计算的初始波动场。利用角谱在空间中的线性传播特性,得到波在透射场中任一位置的波动方程。分别基于有限元和离散元数值方法,对单条断续节理岩体中的波传播进行了数值模拟,模拟结果与理论解基本吻合,数值模拟的正确性和理论分析方法的可行性得到了验证。另外,通过参数分析发现,节理段长度的增加不仅会增强节理段对波的衰减作用,还会削弱不同岩桥间衍射波的相互干涉作用,总体上导致透射波幅值的减小。岩桥长度的增加引起透射应力波总能量的增大,从而引起透射波幅值的上升。对于含多条断续节理的岩体,用数值模拟手段研究了2条、3条和5条平行节理的几何参数对应力波传播的影响规律与机制。几何参数包括节理间距、节理数目、节理错动角以及传播距离等。结果表明:透射场的应力波幅值由透过节理段的透射波和穿过岩桥的衍射波相互叠加所得;节理间距和节理数量不仅影响节理段间的多重透反射,同时减弱最后一处岩桥的应力波幅值;节理的错动在整体上造成更大范围的波的传播路径被节理段阻挡,造成更多的能量衰减,从而导致透射系数的降低;随着波传播距离的增加,节理段后方的振幅先增加至最大值,而后逐渐衰减,然而,岩桥后方的波动振幅表现出相反的变化趋势。
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