浅谈节理动态闭合变形性质及应力波在节理处的传播

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1、中南大学博士学位论文节理动态闭合变形性质及应力波在节理处的传播姓名：王卫华申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：李夕兵20060601摘要在“973”项目(2002CB412703)子课题的资助下，本文从试验、理论和数值模拟三方面对节理动态闭合变形性质和应力波在节理处的传播规律进行了深入而系统的研究。首先，在Inswonl342型电液伺服材料试验机上对表面含两排锯齿、三排锯齿和四排锯齿的人工节理试样和与节理试样具有相同几何尺寸的无节理试样进行了法向压缩试验、循环压缩试验和4种不同频率(O．005Hz、0。01Hz、0．05Hz和0．1Hz)载荷作用下的动态压缩试验，获

2、得了加载频率和表面形态对节理闭合变形性质的影响规律。用五种常用的函数方程对节理动态压缩试验数据进行拟合，找出了用来描述人工节理动态压缩闭合变形性质的最佳经验模型。通过对试验数据的分析，研究了模型参数与载荷频率之间的关系，从而建立了考虑率效应的节理动态经验本构模型，并进行试验验证。从波的弹性位移方程出发，推导了线弹性位移不连续模型，然后引入节理非线性法向变形本构关系和等效位移假设，建立了节理非线性位移不连续模型。依据所建立的非线性模型，获得了纵波在非线性法向变形节理处传播的透、反射系数的解析解。利用该解析解，研究了节理初始刚度、节理闭合量与最大允许闭合量的比率以及入射波频率

3、对透、反射系数的影响规律，与他人的数值计算结果吻合很好。通过对应力波与张开节理相互作用过程的分析，在忽略张开节理闭合时的动能且假设其同时完全闭合的基础上，建立了应力波在张开节理处传播的简化模型，利用该模型，研究了应力波幅值、空隙宽度、入射角、波阻抗比和应力波持续时间对正弦波、矩形波和三角形波在张开节理处传播时的能量传递系数的影响规律。在研究了模型参数：单元尺寸、边界条件、刚度系数、系数∥、节理本构模型和节理有无抗拉强度对三维离散元(3DEC)动态建模结果的影响的基础上，用3DEC对垂直入射一维正弦剪切波和压缩波在无节理、含一线性变形节理、含二平行线性变形节理和含夹层的岩体

4、中的传播进行了模拟，并对模拟结果进行厂分析。在工程应用方面，依据边坡的实际几何形状，考虑边坡体内部的I博十学伊论文捅要节理及小同岩体问的力学性质的差异，建立r菜矿商陡露天符理岩质边坡的三维离散元计算模型，对边坡在自然状态下的稳定性和爆破载荷作用下的动态响应进行分析，并用现场监测数据对计算结果进行检验。本文运用现代的实验技术手段、数力学方法和三维离散元模拟工具，深入地研究了节理动态闭合变形性质和应力波在节理处的传播规律，该研究将是对岩石动力学理论更进一步的完善，对更好地把岩石动力学理论应用到工程实践中去从而正确地评价岩体工程和地下结构的动力稳定性有着重大的理论与实践意义。关

5、键词岩石节理，动态闭合变形，应力波，非线性位移不连续模型，张开节理，三维离散元模拟UDOCTORALDISSERTATIONABSTRACTFundedby”973”projectofChina,theauthorcarriedoutsystematicinvestigationontheiointclosurebehaviorunderdynamicnolTnalloadandpropagationofstresswaveacrossjointsbylaboratoryexperiments，theoreticanalysisandnumericalsimulation

6、inthepresentdissertation．Atfirst，normalcompressiontestsonartificialjointswithdifferentsaw-teethatfourkindsofdifferentloadingfrequencieswereperformedusingInstronl342sgrvo-controlledmaterialtestingmachine．Forcomparisonthesametestsonintactsampleswenconducted．BasedontheanalysisofteStresults，e

7、ffectofsurfaoeasperitiesandloadingfrequencyonthejointclosurewasdiscussed．Bycomparisonofthefittingpotentialoffiveempiricalfunctionstotheclosurecurveofrockjointsundernormalloadswithdifferentfrequencies，itwassuggestedpowerfunctionandexponentfunctiongivethebestfit．Quant