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岩体是一种非连续地质体,被节理、裂隙和断层等结构面分割为具有一定结构的多裂隙体。广泛存在的节理不仅对岩体的变形和强度起控制作用,而且对岩体中的应力波传播有重要影响。节理对应力波能量衰减的影响是研究节理岩体中应力波传播规律的重要方面,对分析和评估动载荷扰动下岩土工程的安全稳定有重要意义。 节理表面形貌几何特征不仅与节理的力学特性直接相关,而且对应力波通过节理时的传播规律有很大影响。本文从节理的表面形貌几何特征入手来研究节理对应力波能量衰减的影响。节理表面形貌几何特征通常由两个参数来描述,分别是节理吻合度和节理粗糙度。为了深入了解节理表面形貌对应力波能量衰减的影响,采用了实验室实验、理论分析和数值计算三种方法来开展研究。 首先采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar)技术开展实验室实验,以节理试样的应力波能量耗散值和地震波品质因子Qs两个参数指标来反映应力波在试样中的能量衰减情况。为了利用SHPB实验数据计算试样地震波品质因子Qs,从地震波品质因子基本概念出发,提出了一个通过弹性杆中传播的应力波能量来计算试样地震波品质因子的方法,并对该方法进行了理论和实验验证。针对节理表面几何特征参数,共制作了三组不同节理试样来反映节理表面吻合情况和节理表面粗糙度。采用在花岗岩石块表面刻槽的方式制作了理想人工节理试样,该组试样节理用来描述节理表面不同吻合度,节理表面吻合度由节理吻合度系数JMC来衡量;采用水泥砂浆现浇方式制作了含二维粗糙节理试样,节理面粗糙度由二维节理粗糙度系数(JRC)来衡量;采用3D打印技术制作了含三维粗糙节理试样,节理粗糙度由三维节理粗糙度系数(JRC3D)来衡量。采用传统SHPB实验装置对含不同吻合度节理试样和含二维粗糙节理试样进行冲击压缩实验,采用石膏杆搭建的改进SHPB实验装置对含三维节理试样进行冲击压缩实验,根据实验数据计算试样的应力波能量耗散值和地震波品质因子,并结合节理表面形貌参数JMC、JRC和JRC3D进行分析。实验结果表明节理吻合度系数JMC、二维节理粗糙度系数JRC和三维节理粗糙度系数JRC3D对试样中应力波能量耗散值和地震波品质因子有显著影响。试样中应力波能量衰减随节理吻合系数JMC减小而增加,随二维节理粗糙度系数JRC和三维节理粗糙度系数JRC3D增加而增加。在应力波作用下,节理对试样中应力波能量衰减有不可忽视的贡献。 然后采用三波法计算了水泥砂浆试样的应力-变形曲线,然后将节理试样变形数据与完整试样变形数据相减,得到了二维粗糙节理的应力-闭合量曲线。针对二维粗糙节理应力-闭合量曲线特点,和在应力波作用下节理会消耗应力波能量这一实验结论,构建了考虑耗能特性的节理模型,并分析了节理模型参数随节理粗糙度的变化趋势。 最后为了将从单节理试样中得到的实验规律进一步推广到多节理岩体情况,结合考虑耗能特性的节理模型,采用时域递归分析法计算了应力波通过一组平行粗糙节理时的传播情况,根据计算结果分析了节理粗糙度对岩体总应力波能量衰减的影响。分析结果表明节理粗糙度对节理岩体中应力波能量衰减有显著影响,节理粗糙度越大则岩体中应力波能量衰减情况越严重。