浅谈节理裂隙岩体中弹性纵波传播规律的若干问题研究

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1、南京水利科学研究院博士学位论文节理裂隙岩体中弹性纵波传播规律的若干问题研究姓名：俞缙申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：赵维炳20080701摘要节理、裂隙对岩体中应力波的传播速度和衰减特熊影响很大。由于岩体结构的破坏准则往往根据波振幅的门槛值(如位移峰值、质点速度或加速度峰值)确定，因此在评价岩体及地下结构在动载条件下的抗震能力与破坏情况时，节理对应力波的衰减佟篇成为学者稍最关心的阀题。本文紧扣该主题，从岩石节瑾弹性非线性法向变形本构关系、节理非线性变形及变形非线性程度对弹性纵波在单节理和平行多节理中传播规律

2、的影响、裂隙岩右(体)声波信号的小波分析与应用三大方面展开研究。第一部分，回顾已有的几类单调加载条件下节理非线性法向变形本构模型，孳

3、入半值应力tlrl瑾的概念，着重探讨了BB模型、经典指数模型霸／2不可调的数学缺陷。以MalamaandKulatilake(2003)提出的统一指数模型为例，进一步阐明模型修正的必要性，同时通过数学推导指出该模型因采用对tr,,／trl／2项添加幂函数n的修正方式而丢失节理初始阏l度蜀f的物理意义。分析并建立了岩石节理法向闭合与切线柔度关系曲线的控制微分方程，定义了拟节理最大允许闭合

4、量‰d=‰口的概念，提嬲一种薪的三参数本构模型——改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构关系，并建议了通过试验结果求取新参数f的计算方法，同时利用已有的试验结果对改进后的模璀进行了验证。将新模型拓展到循环加、卸载条件下，考虑岩体节理丽的复杂性，修正了以往模型对曲线形式做赉硬性假定的方式，使其具有更广泛的适用性。第二部分，在不考虑加载速率对节理变形行为影响魄情况下，将改进的节理弹性非线性法向变形本构关系推广至动态条件，基于Lemaitre假设获得了纵波正向入射具有改进本构关系单节理时的透、反射系数近似解析解，对节理非线性

5、程度对应力波的影响进行定性分析，同时指出前入关于通过此法获得酶解析解与数值计算结果完全一致的错误认识并阐明其原因。接着采用改进模型建立法向入射纵波(不考虑剪切变形)在单节理处传播的位移不连续模型，结合一维波动方程特征线法推导了节理处透、反射波质点速度的数值差分格式并自编了计算程序，获得了纵波透、反射波质点速度时域解，进而得到透、反射系数半数值解，依此探讨纵波在弹性半空间中单节理处的传播过程及特征。在对节理法向初始切线圈《度％f、节理闭合量以与最大允许闭合量如口间的比值)，、入射波应力振幅％c及频率厂等因素对节理透、反

6、射系数影响进行探讨的同时，着重分析了模型非线性程度的改变对透射系数、透射波能量8脚及延迟时间Tdet的影响，并结合UDEC离散元数值模拟对透射波时域波形畸变现象作了较深入的分析。运用栉∥平面中左、右行特征线上各离散点的关联模型，考虑节理间纵波的多重反射、透射与叠加作用，沿用特征线法与位移不连续模型结合的方式，推导了平行多节理处透、反射波质点速度的数值差分格式并自编了计算程序，获得了纵波透、反射波质点摘要速度时域解，进而得到平行多节理下透、反射系数半数值解，对具有线性及非线性变形行为平行多节理处垂直入射纵波的传播特征进

7、行理论研究。在不考虑节理间距影响情况下，分析了节理数N对透射系数、透射波能量etra及延迟时闻％对模型非线性程度依赖性的影响；在考虑节理间距影响情况下，从透射波能量的角度提出了临界值绗的概念，同时结合时域半数值解对其尾波效应作了初步的研究与探讨。第三部分，结合某工程现场基岩及岩芯室内声波实验，针对传统Fourier变换方法对岩石声波信号时频分析能力差的特点，将具有多分辨率特点的小波分析方法引入岩石声波信号的频谱分析中，编制了MATLAB小波分析程序，并通过比较煎构信号和原始信号误差的方式确定最优小波基。采用节理裂隙统

8、计、抗压强度试验、波速测试、声波信号小波变换及频谱分析等多种手段，对实验中出现的因岩：占声学特性对卸荷、扰动作用的敏感性而导致的岩体纵波波速高于岩芯波速的现象进行分析，其中小波时频分析且去噪后得到的各频带分量及其加权频谱参数与岩芯卸荷扰动敏感程度鼷有良好的相关性，表明该方法在岩石声波信号分析中具有优越性。关键词：节理裂隙；半值应力；改进的非线性法向变形本构模型；弹性纵波；位移不连续模型；半数值半解析解；声波信号；岩芯卸荷扰动；频谱参数；小波时频分析ABSTRACTFractureshavegreateffectson

9、thetransmissionvelocityandattenuationpropertiesofstresswaveinrockmasses．Generally,thedamagecriteriaofrockstructuresareregulatedaccordingtothresholdvaluesofwaveamplitudes(suc