岩体应力波传播理论
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2020年7月第36卷第4期㊀沈阳建筑大学学报(自然科学版)JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience)㊀Jul㊀2020Vol.36ꎬNo.4㊀㊀收稿日期:2020-03-11基金项目:国家自然科学基金项目(51604175)ꎻ中国博士后科学基金项目(2016M601338)ꎻ湖南省教育厅项目(18C0562ꎬ2019SYJG013)ꎻ秦岭输水隧洞越岭段微震监测技术服务项目(TYY ̄2017 ̄WZJC ̄1)作者简介:黄志平(1975 )ꎬ男ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ主要从事岩石断裂与损伤力学㊁岩爆机理及微震监测技术等方面研究.文章编号:2095-1922(2020)04-0653-08doi:10.11717/j.issn:2095-1922.2020.04.10应力波在岩石直杆中传播特性及层裂研究黄志平1ꎬ陈国平1ꎬ唐春安2ꎬ黎㊀罡1(1.吉首大学土木工程与建筑学院ꎬ湖南张家界427000ꎻ2.大连理工大学土木工程学院ꎬ辽宁大连116024)摘㊀要目的揭示冲击应力波在直杆岩体中的传播特性与层裂破坏规律ꎬ以便更好地研究围岩结构动力稳定性.方法采用RFPA2D ̄Dynamic软件建立均匀岩石直杆数值模型Ⅰ㊁Ⅱꎬ分别施加直角三角形冲击荷载.对模型Ⅰ进行杆中及固定端应力波传播形态与理论解析对比分析ꎬ对模型Ⅱ施加5种相同峰值而持续时间不同的冲击载荷ꎬ进行直杆中应力波经自由端反射诱发层裂过程数值模拟.结果压缩应力波在固定端反射为压缩波ꎬ同时在杆两边界自由面不断产生大量剪切波和拉伸波ꎻ压缩波的峰值随着应力波的传播逐渐降低ꎻ冲击波持续时间越长ꎬ裂纹扩展范围随之扩大ꎬ萌生裂纹数量增加ꎬ裂纹间距也越长.结论冲击波传播形态数值模拟与解析理论结果具有较好的一致性ꎻ不同的冲击荷载卸荷速率对岩石直杆动态起裂位置和层裂扩展长度影响较大.关键词冲击荷载ꎻ均匀直杆ꎻ数值模拟ꎻ层裂破坏ꎻ波长中图分类号TU475㊀㊀㊀文献标志码A㊀㊀㊀NumericalSimulationofPropagationCharacteristicandSpallationinRockBarsunderStressWavesHUANGZhiping1ꎬCHENGuoping1ꎬTANGChunᶄan2ꎬLIGang1(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitectureꎬJishouUniversityꎬZhangjiajieꎬChinaꎬ427000ꎻ2.SchoolofCivilEngineeringꎬDalianUniversityofTechnologyꎬDalianꎬChinaꎬ116024)Abstract:Inordertobetterresearchthedynamicstabilityofsurroundingrockstructureꎬthepropagationcharacteristicsofstresswavesandtherulesofspallfailureinrockbarweredetected.NumericalmodelsIandIIofuniformrockbarswereestablishedbyRFPA2D ̄Dynamicnumericalsimulationsoftwareꎬandrighttriangleimpactloadswereappliedrespectivelyonthem.ThepropagationpatternsofstresswavesinthebarandatthefixedendofmodelIwerecomparedwiththeresultoftheoreticalanalysis.Fiveimpactloadswithsamepeakvaluesanddifferentdurations654㊀沈阳建筑大学学报(自然科学版)第36卷wereappliedtomodelIIꎬandtheprocessofspallationinducedbystresswavesreflectedatthefreeendinthestraightbarwasnumericallysimulated.Thesimulationresultsshowedthatthecompressivestresswavewasreflectedasacompressivewaveatthefixedendꎬandalotofshearwavesandtensilewaveswerecontinuouslygeneratedonthefreesurfacesofthetwoboundariesofthebarꎻthepeakvalueofcompressionwavegraduallydecreasedwiththepropagationofstresswave.Astheimpactwavewascontinuouslygeneratedꎬthecrackpropagationrangecontinuouslyexpandedꎬthenumberofinitiatedcracksandthecrackspacingincreased.TheconclusionshowedthatthenumericalsimulationofshockwavepropagationmorphologyisingoodagreementwiththetheoreticalanalysisresultsꎻDifferentimpactunloadingrateshavevariedinfluenceonthedynamiccrackinitiationpositionandspallationextensionlengthofrockbar.Keywords:stresswaveꎻhomogeneousrockbarꎻnumericalsimulationꎻspallfailureꎻwavelength㊀㊀在当前我国全面推进产业和能源持续发展的情况下ꎬ大量岩土工程建设ꎬ如地下隧道㊁硐室㊁巷道ꎬ大型水坝边坡工程以及矿山㊁油气等资源开采ꎬ在工程爆破㊁围岩防护以及利用地震波进行岩层勘探等ꎬ各种岩体工程均会涉及应力波的影响ꎬ如岩体在动荷载下的动态断裂规律㊁能量耗散㊁强度衰减㊁传播特性等[1-2].彭维红等[3]对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程㊁顶板的岩性对层裂结构形成的影响进行了初步分析.由于岩石准脆性材料抗压不抗拉ꎬ受冲击荷载时通常在岩体自由面发生拉伸破坏ꎬ因此研究岩石的动态性能对精细化破岩㊁围岩防护㊁和支护参数提供依据ꎬ对高效破岩㊁改善破岩效果㊁以及保障资源有效开采及施工安全有着重要意义.近年来ꎬ针对岩石类材料的特殊性ꎬ国内外学者利用霍普金森压杆装置研究岩体在高应变率情况下的动力性质ꎬ取得了许多成果.国外早期一些实验室[4-5]先后研制了一系列的三轴SHPB装置ꎬ研究了岩石在围压作用下承受冲击载荷的力学响应特性ꎬ但SHPB试验系统大部分没有解决好加载应力波整形问题.李夕兵等[6-7]利用自主研制的SHPB改进装置岩石动静组合加载试验系统ꎬ研究了岩石试件在一维动静组合加载下临界破坏的破坏模式㊁变形规律㊁能量规律和强度特性等.鉴于岩体动力特性的试验研究对设备要求甚高ꎬ实现过程复杂ꎬ目前利用先进的计算硬件和方法开展系列岩土工程领域的动力特性课题研究已切实可行.如对完整岩石㊁节理岩体㊁填充物节理岩体中波的传播规律研究取得了系列成果[8-9].还有学者探讨岩石在动载荷作用下弹性模量㊁强度等参数与加载变形速率之间的关系ꎬ总结出了岩石在动载荷作用下的强度准则和本构关系[10-11]ꎬ对岩石动力学特性及其力学模型研究奠定了基础.徐颖等[12]采用波形整形技术实现动态力平衡ꎬ并利用激光测量裂缝表面张开位移ꎬ确定岩石样品的动态断裂能量各向异性.学者除了对岩石工程地下结构进行了室内试验和理论研究之外ꎬ也有学者对此展开了多方面的数值模拟分析.田振农[13]通过块体离散元法ꎬ对岩柱完整岩体施加撞击载荷ꎬ研究一维应力波传播规律.结果表明岩体中各质点振动形式㊁振动频率与岩柱长度㊁结构面有关.振动质点在结构面附近有增强现象ꎻ组数增加ꎬ质点振动衰减便快ꎻ距离增加ꎬ衰减明显.还有学者对典型的地下圆形隧道岩石结构受到凿岩爆破等冲击荷载动态应力的扰动ꎬ开展了应力波在隧洞围岩的传播特性及破坏过程研究ꎬ如王学滨[14]㊁马冰[15]采用连续-非连续方法ꎬ对圆形巷道围岩开裂㊁径向应力波传播及围岩径向应力随时间演变规律的影响进行研究.结果表明卸荷率的大小与围岩中裂纹模式㊁分布及应力变化有密切第4期黄志平等:应力波在岩石直杆中传播特性及层裂研究655㊀关系ꎬ给出了巷道围岩中应力波传播过程及其变形-开裂-垮塌过程.因此ꎬ采用数值分析方法进行岩石(体)的动应力性质研究ꎬ已经取得了十分重要的成果ꎬ也是今后开展相关研究的有益手段.鉴于大量深部岩体工程受动力灾害影响更为严重ꎬ分析冲击荷载作用下岩石介质内部应力波传播特性及层裂规律显得十分必要.基于此ꎬ笔者以一维岩石杆件为研究对象ꎬ分别设置直杆两端部为固定端和冲击端或两端均为自由端等边界条件ꎬ从分析弹性应力波力学问题角度考虑ꎬ假定岩石介质为均质材料ꎬ力学性质各向同性.结合前期相关研究工作[16-17]ꎬ根据弹性波传播反射与叠加方法ꎬ对岩石直杆中应力波强度衰减㊁应力波反射诱发层裂模式进行研究ꎬ探索岩石类材料动态断裂机理ꎬ为深部岩体工程动态失稳理论分析㊁室内试验验证提供借鉴.1㊀RFPA2D ̄Dynamic简介岩石破裂过程动态分析软件(RFPA2D ̄Dynamic)是基于面向用户对话框开发ꎬ而且考虑岩石材料物理力学性质赋值特殊性ꎬ即单元强度㊁弹模㊁泊松比等力学性质参数服从威布尔概率分布.同时ꎬ由于应变率影响单元强度ꎬ程序中引入关于强度与应变率(加载率)关系[10].关于动态分析计算原理㊁强度及弹模参数赋值更为详细阐述ꎬ可以参考文献[18-19].进行岩石试件数值分析时ꎬ可以在试件冲击端输入一个瞬时冲击荷载ꎬ或者赋值一个初始速度作为加载条件.计算时间步长可以在相应合理的范围内取值.每个计算步中ꎬ系统包括质量和加速度两个重要参数ꎬ建立基元动力学平衡方程ꎬ使用弹性动力有限元计算.关于基元损伤准则ꎬ主要是符合最大拉应力准则或者Mohr ̄coulomb准则ꎬ计算如式(1):㊀㊀-σ3ȡfc0kꎬσ1-1+sinϕ1-sinϕσ3ȡfc0.(1)2㊀有限直杆模型及实施方案研究考虑有限长均匀岩石直杆试样作为分析目标ꎬ设置不同直杆和限制条件ꎬ施加给定冲击载荷ꎬ探讨其应力波传播形态与破裂特征.试样几何尺寸以及加载边界条件如图1所示.受载端为简支ꎬ远端为固支(模型Ⅰ)或自由端(模型Ⅱ)ꎬ进行岩石试件单轴冲击压缩试验.模型Ⅰ试样尺寸300mmˑ50mmꎬ划分为300ˑ50个网格基元.模型Ⅱ尺寸200mmˑ10mmꎬ划分为200ˑ10个网格基元.模型Ⅰ㊁Ⅱ直杆力学性质参数见表1.图1㊀岩石直杆试样Fig 1㊀Specimenofrockbars表1㊀均匀试样力学性质参数Table1㊀Mechanicalpropertiesofhomogeneousspecimens模型弹性模量/GPa泊松比单轴抗压强度/MPa密度/10-6(kg mm-3)拉压比Ⅰ700.252002.510.5Ⅱ600.252002.510.5㊀㊀直杆试件冲击端施加荷载类型如图2所示ꎬ共有5种直角三角形冲击荷载.在模型Ⅰ的冲击端部ꎬ施加荷载Ⅰꎬ主要进行杆中应力传播特性分析ꎻ对模型Ⅱꎬ为了研究荷载的不同卸荷率对直杆层裂破坏模式的影响ꎬ在直杆冲击端依次施加I~Ⅴ不同卸荷率的冲击荷载ꎬ相应进行数值模拟.在程序计算中ꎬ设置时间步长әt=0 1μsꎬ计算每个试样终止时间t=120μs.对于轴对称直杆模型ꎬ可以采用平面应力方法进行研究.根据公式v=656㊀沈阳建筑大学学报(自然科学版)第36卷(E/ρ)1/2(E为弹性模量ꎬρ为密度)ꎬ可以计算出直杆模型Ⅰ㊁Ⅱ中一维纵波速度分别为υ1=5291 50m/s㊁υ2=4899m/s.而模型Ⅱ冲击荷载卸荷率分别为κⅠ=8MPa/μs㊁κⅡ=4MPa/μs㊁κⅢ=2MPa/μs㊁κⅣ=1MPa/μs㊁κⅤ=0 5MPa/μs.分别对均匀试件进行模拟比较ꎬ研究应力波在杆内往复传播过程及破坏形态.图2㊀岩石直杆受力端的冲击荷载Fig 2㊀Impactloadingonthebearingtopofrockstraightbar3㊀数值模拟结果与分析3 1㊀弹性应力波在固定直杆中的传播理论上ꎬ在任何有界的介质中ꎬ应力波的传播可以用位移表示各向同性介质的运动方程ꎬ再结合给定的相应边界条件ꎬ求解这些方程.但是若传播介质边界有多个自由面ꎬ应力波在平面界面上发生复杂的反射ꎬ单纯采用数学方程解决问题显得十分困难.此前ꎬ已有学者采用几何方法来证明直杆中应力波形态传播[17]ꎬ如图3(a)所示.若在某种介质上施加一个冲击荷载ꎬ相应产生一个应力波ꎬ当应力波沿杆向右传播时ꎬ也会沿边界自由面运动ꎬ这样相关膨胀㊁剪切及其反射等彼此相互作用.假设在某自由面GA上ꎬ应力波通过质点A时ꎬA点被挤压有向外发生自由膨胀的可能性ꎬ将导致A点向上运动的同时ꎬ还有向前运动趋势ꎬ称前者称为旁侧运动ꎬ后者为向前运动.类似原理ꎬ上下自由面上的任意切点ꎬ遇到波前通过ꎬ都可能发生上述两种运动.由于两种运动合成效果ꎬ相当自由面GA上产生了一个倾斜入射应力波ꎬ经过自由面反射后ꎬ导致子膨胀波和子剪切泼的出现ꎬ意味着大量的剪切波和拉伸波将不断地产生.对于应力波在自由边界产生的膨胀影响区ꎬ亦可以通过几何方法求出.其内部波形示意图中ꎬ波前AB位置所示箭头表示各波前的运动方向ꎬ而BC与AD分别是尾随而至的压缩膨胀波㊁剪切波ꎬ是表面应力波膨胀产生的.相关波前BC和AD在自由边界反射后ꎬ将类似发生剪切波DE和CFꎬ直到后续越来越多的波单元产生.通过图3所示几何分析波形示意图和数值模拟结果应力波传播图对比分析ꎬ可以更加形象地了解应力波在均匀试件中传播形成ꎬ与理论几何解析推导的传播波形具有很好的一致性.图3㊀杆中内部波形传播图Fig 3㊀Propagationofstresswaveonrockbar㊀㊀将岩石视为弹性介质时ꎬ施加荷载后杆内不同时刻的应力波状态如图4所示.可以看出ꎬ对杆中应力波传播有重要影响的时间分为两个阶段.第一阶段ꎬ应力波从有限长杆的左端传递到右端即固定端之间ꎬ杆中应力波传播特性半与无限长杆中的状态符合ꎬ仅存在右行简单的应力波ꎻ第二阶段ꎬ是从杆固定端产生反射应力波向左行开始ꎬ此时从杆左端向右行的应力波仍在继续ꎬ则后续入射波将与反射波发生相互叠加作用ꎬ固定端附近比其他位置波形分布复杂.第4期黄志平等:应力波在岩石直杆中传播特性及层裂研究657㊀图4㊀均匀直杆应力波传播过程模拟图Fig 4㊀Plotofstresswavepropagationinauniformrockbar㊀㊀根据前述理论计算所得杆中应力波传播速度ꎬ针对不同弹性模量的有限长直杆ꎬ可以计算出应力波从冲击端传播到固定端或者自由端的时间数值.如模型Ⅰ中ꎬ应力波到达固定端时间为56 6μsꎻ模型Ⅱ中ꎬ应力波到达自由端的时间为40μs(见图5).对比图4和图5所示应力波传播过程模拟结果ꎬ显示应力波传播时间与理论计算结果基本一致.图5㊀模型Ⅱ应力波在自由端反射之前传播过程Fig 5㊀PropagationprocessofstresswavesbeforereflectionatthefreeendofmodelⅡ㊀㊀图6为不同时刻应力波传播应力曲线.在模型Ⅰ上施加一个直角三角冲击荷载ꎬ峰值为40MPaꎬ持续时间为5μs.在直杆中心轴线上分别取120μs时间段内每间隔10μs的应力波传播状况ꎬ当时间为10μs㊁20μs㊁30μs㊁40μs㊁50μs㊁60μs㊁70μs㊁80μs㊁90μs㊁100μs㊁110μs㊁120μs时ꎬ其应力波峰值分别为33 44MPa㊁28 10MPa㊁25 09MPa㊁22 74MPa㊁20 72MPa㊁31 82MPa㊁19 94MPa㊁19 15MPa㊁19 01MPa㊁18 81MPa㊁18 84MPa.可以看到不同时间波的传播ꎬ应力波峰值总体上满足某种衰减规律ꎬ逐渐减小ꎬ因为杆中自由面作用下不断产生的子膨胀波和子剪切波会不断消耗应力波的能量ꎬ导致波前强度不断下降.但是其中60μs对应的应力波峰值为31 82MPaꎬ大于相邻时间的应力波峰值ꎬ分析原因是由于右传应力波经固定端反射后形成的左传压缩波相互叠加后的影响ꎬ这也说658㊀沈阳建筑大学学报(自然科学版)第36卷明压缩波的波形在固定端反射后仍然是压缩波.图6㊀模型Ⅰ直杆中不同时刻应力波应力曲线Fig 6㊀StresscurvesofstresswaveindifferenttimeonrockbarofmodelⅠ3 2㊀不同卸载率对杆破坏模式影响因为地震㊁爆破㊁或者地应力释放等皆产生冲击荷载作用ꎬ并往往以应力波的形式在岩体中传播.由于动力加载下的应力波效应和惯性效应ꎬ直杆在轴向冲击力下的动力破裂与静力失稳具有明显的不同.对于岩石材料ꎬ由于抗压强度远大于抗拉强度ꎬ故设置模型Ⅱ的右端边界为自由端ꎬ应力波经过自由端发生反射后产生拉伸波ꎬ更易导致岩石直杆拉伸破坏.根据前述可知ꎬ对模型Ⅱ施加的5种冲击荷载的卸荷率k分别为8MPa/μs㊁4MPa/μs㊁2MPa/μs㊁1MPa/μs㊁0 5MPa/μsꎬ即冲击荷载作用在直杆受力端的持续时间逐渐延长.压缩波经自由面发生反射会形成拉伸波ꎬ新产生的拉伸波将与先前入射的压缩波合成为新的应力波ꎬ即力波的叠加现象ꎬ导致局部应力集中ꎻ当距离自由面某位置上造成拉应力强度满足某种动态的断裂准则时ꎬ则有单元必然在该处发生介质拉伸破坏ꎬ若破坏单元足够多ꎬ宏观表现为足够大的裂纹贯通时ꎬ表现为整块裂片脱离直杆母体.选取模拟计算时间t=90μs时直杆破裂结果ꎬ分析5种不同卸荷率的加载模式差异ꎬ结果见图7.初始施加峰值荷载相同ꎬ均为σ=40MPaꎬ远小于岩石单轴抗压强度200MPaꎬ从而保证冲击端不会发生局部压缩破坏.对于荷载Ⅰ~Ⅴ的加载模式ꎬ即荷载卸荷的持续时间逐渐延长ꎬ也就是卸荷率数值逐渐降低ꎬ一旦冲击荷载撞击介质界面后ꎬ将导致试件内产生应力波的覆盖范围具有明显的区别.杆中应力波最前端经过右端自由面时发生反射ꎬ出现拉伸波.卸荷率越慢ꎬ应力波波长越长ꎬ相对其他卸荷率较快的加载模式ꎬ前者将有更多后续入射压缩波发生反射产生拉伸波ꎬ也就是更强拉应力作用直杆介质上.如果其拉应力大于试件的动态抗裂强度时ꎬ就出现层状剥落.当第一层剥落破裂出现的同时ꎬ也产生一个新的自由面ꎬ并立即对原来入射波的剩余部分进行反射ꎬ如果这部分拉伸波照样符合介质的动态断裂准则时ꎬ第二次层裂就会出现.以此类推ꎬ在满足一定峰值荷载条件下ꎬ会随着峰值荷载的卸荷率降低ꎬ将能形成更多的层裂数目.这个过程一直要进行到应力波的后部分不再大于临界正常破裂强度为止.由此可知ꎬ层裂从右至左逐渐发生ꎬ且卸荷率越大ꎬ层裂次数越少ꎬ层裂间距越短ꎻ反之ꎬ卸荷率越小ꎬ层裂次数增加ꎬ层裂间距增大趋势.王礼立等[21-22]学者对施加三角形应力第4期黄志平等:应力波在岩石直杆中传播特性及层裂研究659㊀波在岩石杆件自由面反射时造成的层裂现象进行了研究ꎬ最后得出结论:当nσtɤσmɤ(n+I)σt(σm为应力波峰值ꎬσt为岩石抗拉强度)时ꎬ岩石杆件将发生n次断裂的重要结论.从本次数值模拟结果看ꎬ杆件发生拉伸剥落次数不仅与峰值大小有关ꎬ亦与荷载作用的持续时间紧密相关ꎬ峰值荷载40MPa约为抗拉强度的2倍ꎬ当荷载持续时间为t=5sꎬ与上述结论吻合ꎬ但是当t>5s时ꎬ就不适合此结论.尤其持续时间越长ꎬ断裂次数越多ꎬ而且在某些不同时间内ꎬ先后断裂长度不同ꎬ如图7(a)㊁(b)㊁(c)和(e)ꎬ断裂开始较短ꎬ且后断的长度大于先断的长度ꎻ图7(e)中断裂ꎬ总体上长短断裂间隔分布ꎻ图7(d)中断裂长度基本相等ꎬ故断裂长度与时间有关.图7㊀t=90μs时模型Ⅱ不同卸荷率的拉伸破裂结果Fig 7㊀TensilefractureresultofModelIIwithdifferentunloadingratesfort=90μs4㊀结㊀论(1)岩石抗压强度远大于其抗拉强度ꎬ当冲击端或固定端承受压应力低于抗压强度ꎬ难以出现局部化破裂现象ꎬ而在自由端因反射波拉伸引起拉应力大于抗裂强度ꎬ常常出现局部破裂现象.㊀㊀(2)应力波传播过程中ꎬ因产生大量子膨胀波和子剪切波不断消耗能量ꎬ应力波峰值强度而不断降低ꎬ最后趋于平稳.(3)岩石直杆自由端发生层裂起始位置及裂纹间距与卸荷率有密切关系.相同峰值荷载情况下ꎬ卸荷率越大ꎬ起始层裂位置越靠近自由端ꎬ层裂间距越小ꎻ卸荷率越小ꎬ层裂位置及间距越大.总体而言ꎬ层裂间距不是均匀分布.参考文献[1]㊀鲁义强ꎬ张盛ꎬ高明忠ꎬ等.多次应力波作用下P ̄CCNBD岩样动态断裂的能量耗散特性研究[J].岩石力学与工程学报ꎬ2018ꎬ37(5):1106-1114.㊀(LUYiqiangꎬZHANGShengꎬGAOMingzhongꎬetal.Dynamicresponsemechanismsoflayeredcementedbackfillpillarsunderhorizontalstresswavedisturbanceoffar 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岩石物理学中的声波传播与波动理论引言:在岩石物理学中,声波传播与波动理论是非常重要的研究方向。
岩石中的声波传播不仅与地震学、勘探地球物理学密切相关,还对地下岩石的特性和构造有着深远的影响。
本文将从声波传播的基本原理和岩石物理学应用两个方面探讨声波传播与波动理论在岩石物理学中的重要性。
一、声波传播的基本原理声波传播是指在介质中由物体振动引起的波动,其主要特性由声速和波长决定。
声波的传播过程包括传播介质中分子的振动、能量的传递和传播介质中波传递的过程。
在岩石物理学中,主要研究声波在地壳中的传播情况。
1. 声速与介质特性声速是声波传播过程的重要参数,它与介质的密度、弹性模量以及介质中的孔隙度等因素密切相关。
通过测量声速,可以推断岩石的物理特性,例如岩石的密度、孔隙度和饱和度等。
2. 波动方程岩石中声波的传播可以使用经典的波动方程来描述。
波动方程是一个高阶偏微分方程,它描述了波动在空间和时间上的变化规律。
通过对波动方程的求解,可以揭示波动行为的规律,并预测声波在岩石中的传播路径和传播速度。
二、岩石物理学应用声波传播与波动理论在岩石物理学中有着广泛的应用。
它们被广泛运用于地震学、勘探地球物理学以及地下水资源勘探等领域。
1. 地震学地震学是研究地球内部结构和地震现象的学科,而声波传播与波动理论是地震学研究的重要工具。
地震学家通过记录和分析地震波的传播情况,可以推断地下岩石的结构和性质,例如地壳的厚度和地球内部的不连续面。
2. 勘探地球物理学勘探地球物理学是应用物理学方法研究地球内部结构和资源分布的学科。
在勘探地球物理学中,声波传播与波动理论被广泛应用于地下油气勘探、岩石力学性质的研究以及地下水资源勘探等方面。
例如,声波在地下的传播速度与地下储层的孔隙度和饱和度等参数有关,通过对声波传播速度的分析,可以推断地下的油气和水资源分布情况。
结论:岩石物理学中的声波传播与波动理论在地震学和勘探地球物理学中起着重要作用。
不同倾角层理岩体爆破应力波传播规律张斌;吴超俊;张学富;周元辅;刘士洋【摘要】以层理岩体地层隧道开挖爆破为研究背景,通过理论解析和数值模拟分析层理倾角变化对爆破应力波的传播影响.研究发现:层理对应力波具有一定的吸收和反射作用,加速了爆破应力波在层理岩体中衰减;层理倾角越大应力波的透射率越小,应力波透过层理的衰减度越大;当应力波由硬介质入射到软介质中时透射率小于1,反之透射率则大于1.当层理倾角大于30°时,应力波的反射率随层理倾角的增大而变大;小于30°时,应力波反射率随层理倾角的增大而减小.此外,运用公式求解得到质点振动速度衰减度随层理倾角变化关系.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)023【总页数】7页(P205-211)【关键词】层理岩体;爆破应力波;数值模拟;透射率;衰减【作者】张斌;吴超俊;张学富;周元辅;刘士洋【作者单位】重庆交通大学土木工程学院,重庆400074;重庆交通大学土木工程学院,重庆400074;中铁上海设计院集团有限公司,上海200070;重庆交通大学土木工程学院,重庆400074;重庆交通大学土木工程学院,重庆400074;重庆交通大学土木工程学院,重庆400074【正文语种】中文【中图分类】TD235钻爆法作为隧道施工最常用的方法,利用高能炸药爆炸产生的能量使岩体破碎形成隧道断面。
由于地质作用,围岩形成了不连续的层理结构面,爆破应力波在结构面处会产生反射和透射,且不同倾角层理产生的反射应力波和透射应力波的叠加和衰减各不相同,影响隧道开挖爆破效果。
岩体中这种结构面的物理力学性质的复杂性,对爆破应力波传播的影响成为隧道控制爆破的难题[1—3]。
早期的研究者Kleinberg等[4]发现应力波穿越单结构面时振幅下降并伴有波形转换。
在理论上,Hudson[5]提出method of smoothing的滤波计算方法,分析了有效弹模,裂隙大小与分布集中程度都较小的介质波速及衰减问题。
节理岩体中应力波传播的动力特性研究节理岩体中应力波传播的动力特性研究摘要:节理岩体是由于地质构造变形而形成的具有一定规则排列的岩层裂隙。
在工程实践中,对节理岩体的动力特性进行研究,对于预测和评估岩体的稳定性、地下水的渗流等问题具有重要意义。
本文通过理论分析和数值模拟的方法,探讨了节理岩体中应力波传播的动力特性。
1. 引言节理岩体是地质工程中常见的一种岩体类型,具有较大的裂隙分布和非均质性。
这些裂隙会对应力波的传播和能量衰减产生重要影响。
因此,研究节理岩体中应力波的传播特性对于分析裂隙岩体的动力响应和工程稳定性具有重要意义。
2. 节理岩体中应力波传播的基本原理节理岩体中应力波的传播与岩石的物理和机械特性密切相关。
节理岩体中的裂隙会引起波的散射、反射和透射,从而影响波的传播速度和衰减程度。
另外,裂隙的几何形态和排列方式也会对波的传播特性产生重要影响。
3. 实验研究为了验证理论研究的结果,我们进行了一系列节理岩体的实验研究。
首先,我们选择了不同类型的节理岩样本,进行了波速测试和衰减测试。
实验结果表明,不同类型的节理岩体的波速和衰减程度存在一定差异。
其次,我们进行了应力波传播路径的观测,发现波在裂隙中的传播路径存在明显的变化。
4. 数值模拟为了深入研究节理岩体中应力波的传播特性,我们使用数值模拟方法进行了进一步的研究。
通过建立适当的模型,我们可以模拟不同类型的节理岩体中应力波的传播过程。
数值模拟结果与实验结果的对比分析表明,数值模拟可以较好地模拟节理岩体中应力波的传播规律。
5. 结果与讨论通过对实验结果和数值模拟结果的分析,我们可以得出以下结论:(1)节理岩体中应力波的传播速度和衰减程度受到裂隙类型和排列方式的影响;(2)波在裂隙中的传播路径存在明显的变化。
这些研究结果对于理解节理岩体的动力响应和工程稳定性具有重要的参考意义。
6. 结论本文通过理论分析、实验研究和数值模拟的方法,探讨了节理岩体中应力波传播的动力特性。
粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律粗粒花岗闪长岩是地壳中常见的花岗岩岩石,它们在湖区、海岸或山脉中可以找到。
粗粒花岗闪长岩具有一定的物理性质,如弹性模量、泊松比等,这些物理性质决定了应力波在它们中传播的衰减规律。
粗粒花岗闪长岩是由碳酸钙,石英和长石组成的,它具有较高的泊松比,但相对较低的弹性模量。
这些物理性质,与当地的地质环境有很大的关系,如构造类型、温度和岩石的特殊性质等。
这些物理特性决定着粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律。
要研究粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律,必须考虑到力学、物理和化学的基本原理。
首先,要识别粗粒花岗闪长岩中应力波的传播机制。
一般而言,应力波是由固体介质中的微小振动传播而来的,其传播特性以及在不同体系中的衰减规律,受着多种因素的影响,如岩石物质的折射率、泊松比、介电损耗等。
而粗粒花岗闪长岩是由多种物质组成的,它们具有较高的泊松比,介电损耗相对较低,因此应力波在这类岩石中的传播规律会有所不同。
其次,要考查粗粒花岗闪长岩中应力波的原理和传播路径,以及影响应力波传播的各种岩石特性。
为了研究粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律,需要对实验样品进行压力测试、衰减测试、实验控制等,以确定其传播衰减规律。
粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律是一个重要的研究课题。
根据传播衰减规律,可以更好地控制粗粒花岗闪长岩的变形,也可以帮助我们更好地探寻地壳的结构和多尺度地质环境。
研究粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律,有助于深入了解粗粒花岗闪长岩的物理和化学特性,从而为人类利用地质矿产提供有益的参考和指导。
总之,《粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律》是一个重要主题,对深入了解粗粒花岗闪长岩的物理化学特性具有重要意义,从而为人类利用地质矿产提供有益的参考和指导。
基于上述的研究,我们可以更好地控制粗粒花岗闪长岩的变形,也可以帮助更好地探寻地壳的结构和多尺度地质环境。
平面应力波在岩质边坡中的传播规律研究近年来,随着社会的快速发展,岩质边坡的建设频率也在不断提高,而岩质边坡的安全性也受到了越来越多的关注。
岩质边坡的安全性与其波动状态、滑动状态和稳定状态的变化直接相关。
其中,平面应力波的传播规律及其波在岩质边坡中的传播特性,是影响岩质边坡安全性的一个重要因素。
本文将介绍平面应力波在岩质边坡中的传播规律,以期为岩质边坡及其安全性的研究提供理论基础。
一、岩质边坡波动状态的影响因素岩质边坡的波动状态受到很多因素的影响,从而影响其安全性。
其中包括岩体性质、力学特性、地震活动、地质构造等等。
首先,岩体性质是影响岩质边坡安全性的重要因素,岩体性质不均匀时,其安全性也会降低;其次,力学特性会影响岩质边坡的变形和稳定性;再次,地震活动中的能量分布因岩质边坡复杂的地质构造影响而发生变化;最后,地质构造和气象条件也会影响岩质边坡的稳定性。
二、平面应力波在岩质边坡中的传播规律平面应力波是由外加力激发的,在岩质边坡中的传播规律主要受地形复杂程度的影响。
其中,岩质边坡的平面应力波传播规律一般分为山谷折射波和山谷反射波两种。
(1)山谷折射波当平面应力波从一个地形高度较低的区域传入另一个地形高度较高的区域时,整个波会在当地发生折射,产生山谷折射波,从而影响波在岩质边坡中的传播速度和振幅大小。
(2)山谷反射波当平面应力波传输到地形高度较低的区域时,会发生反射,产生山谷反射波,这种反射波的振幅大小与地形高度及材料弹性特性有关,这也是影响波在岩质边坡中的传播速度和振幅大小的关键因素之一。
三、结论岩质边坡的波动状态的变化受到很多因素的影响,其中平面应力波的传播特性也很重要。
本文介绍了平面应力波在岩质边坡中传播规律,包括山谷折射波和山谷反射波,以及地形高度和材料弹性特性对波振幅大小和传播速度的影响,为岩质边坡的安全性提供了重要的理论基础。
岩石应力波传播特性的试验研究和数值模拟岩石应力波传播是地质工程中的重要研究课题,对于地下爆破、地震学和岩石力学等领域具有重要意义。
本文将介绍岩石应力波传播特性的试验研究和数值模拟,以期对该领域的研究做出贡献。
一、试验研究1. 实验目的通过实验研究,我们可以更好地了解岩石中应力波的传播特性,如传播速度、衰减和能量分布等,并验证数值模拟结果的准确性。
2. 实验装置为了模拟真实的地质环境,我们需要构建一个合适的实验装置。
该实验装置应包括几个重要的组成部分:压力源、传感器、岩石样本和数据采集系统。
压力源用于产生应力波,传感器用于测量应力波的传播情况,岩石样本用于模拟真实的岩石条件,数据采集系统用于记录和分析实验数据。
3. 实验步骤在实验开始前,我们需要选择合适的岩石样本,并对其进行测量和准备工作。
在实验过程中,我们需要控制压力源的输出,并通过传感器记录应力波的传播情况。
实验结束后,对实验数据进行处理和分析,得出相应结论。
二、数值模拟1. 数值模拟方法数值模拟是一种有效的研究手段,可以通过计算机技术对岩石应力波的传播特性进行模拟和分析。
常用的数值模拟方法包括有限元法和边界元法等。
2. 模型建立在进行数值模拟前,我们需要进行模型建立工作。
首先,选择合适的岩石模型,并确定边界条件和加载方式。
然后,根据模型的几何形状和材料性质,进行离散化处理,将岩石模型划分为有限元网格或边界元节点。
最后,设置加载参数和计算方法,进行数值计算。
3. 模拟结果分析在完成数值计算后,我们需要对模拟结果进行分析。
通过分析模拟结果,我们可以得到应力波的传播速度、衰减情况和能量分布等重要参数。
同时,与实验结果进行对比,验证数值模拟的准确性。
三、实验与数值模拟的比较1. 结果对比通过实验和数值模拟的比较,我们可以判断数值模拟结果的准确性和可靠性。
如果实验结果与数值模拟结果吻合较好,则说明数值模拟方法有效。
反之,若存在较大差异,则需要对数值模拟方法进行修正和改进。
岩土工程中应力波的传播机制研究岩土工程是研究地球物质在力学、物理和化学等方面行为规律的学科,其应用领域十分广泛。
应力波传播机制是岩土工程中的一大研究课题,对了解地下水、岩土变形、地震波传播等方面都有着重要的意义。
一、应力波的概念和特点应力波是指在物质中传播的弹性波,它是从一点向四周扩散的能量。
通常,应力波的传播速度会随着介质的密度、尺寸和形状等因素发生变化。
此外,应力波还具有反射、折射和干扰等现象,因此在工程领域中应用广泛。
二、应力波在岩土工程中的应用岩土工程中应力波的应用主要有以下几个方面:1、地质勘探:应力波在地下介质中的传播速度会受到地质结构的影响,因此可以通过分析地下介质中应力波的反射和折射等现象,了解地下地质结构的情况,这对于地质勘探和矿产资源探查等方面都有重要的意义。
2、工程监测:在大型岩土工程项目中,应力波可以用于监测结构物变形和破坏等情况,如在地铁隧道施工中,应力波可用于监测隧道内部的地下水位和应力状态等。
3、地震波传播:地震波是应力波在岩石中传播的一种特殊形式,通过对地震波的分析和研究,可以更好地了解地震波的来源和传播规律,有助于提高对地震的预测和预警能力。
三、应力波传播机制的研究应力波的传播机制研究是岩土工程中的一大重点,其主要包括以下方面:1、波动方程的建立:波动方程是描述应力波传播的基本规律,通过建立波动方程可以更好地理解和掌握应力波在不同介质中的传播规律。
2、传播速度的研究:应力波传播速度的研究是岩土工程中的一大热点问题,其主要涉及介质的密度、弹性模量、泊松比等因素的影响,需要进行大量的实验和理论研究。
3、反射和折射现象的研究:应力波在不同介质中的反射和折射现象会对传播过程甚至整个工程产生重大影响,因此需要对其进行深入研究,提高对这些现象的认识和控制能力。
四、结语总之,应力波传播机制的研究是岩土工程中一个十分重要的领域,它不仅涉及到地质勘探、工程监测、地震预测等多个方面,还有助于提高岩土工程设计和施工的安全性和质量。
爆炸应力波与爆破作用原理简介一、岩体内的爆炸应力波装药在岩体或其他固体介质中爆炸所激起的应力扰动的传播称为爆炸应力波。
爆炸应力波在距爆源点不同距离的区域内可出现塑性波、冲击波、弹塑性波、弹性应力波和地震波等。
大多数岩石在爆炸冲击荷载作用下所激起的爆炸应力波主要是冲击波、弹性应力波和爆炸地震波。
冲击波具有陡峭波头,以超声速传播,传播过程中能量损失较大,应力衰减很快,作用范围很小,衰减后变为压缩应力波。
压缩应力波以声速传播,传播过程中能量损失比冲击波小,衰减较慢,作用范围则较大,衰减后变为地震波。
冲击波和应力波都是脉冲波,不具有周期性,能对岩石造成不同程度的破坏作用,而地震波为周期振动的弹性波,应力上升时间与应力下降时间大体相等,以声速传播,衰减很慢,作用范围最大,但不再能对岩石造成直接的破坏作用,只能扩大岩体内原有的裂隙,和威胁爆破地点附近建筑物的安全。
炸药爆炸的基本理论对于应力波,当应力应变呈线性关系时,介质中传播的是弹性波;呈非线性关系时,为塑性波和冲击波。
二、装药的内部作用与外部作用装药中心距自由面的垂直距离称为最小抵抗线,对于一定量的装药来说,若其最小抵抗超过某一临界值(临界抵抗),当装药爆炸后,在自由面上不会看到爆破的迹象。
也就是爆破作用只发生在岩体的内部,未能达到自由面。
这种作用称为装药的内部作用。
发生这种作用的装药称为药壶装药。
临界抵抗决定于炸药的类型、岩石性质和装药量。
当装药发生内部作用时,除在装药处形成扩大的空腔外,还形成压碎圈、裂隙圈和震动圈。
在压碎圈内变形向方向成45°角的滑移面。
在裂隙圈内,但形成辐射状的径向裂隙,有时在径向裂隙之间还形成有环状的切向裂隙。
震动圈内的岩石没有任何破坏,只发生震动,其强度随距爆炸中心的距离增大而逐渐减弱,以致完全消失。
当装药的最小抵抗小于其临界抵抗时,在装药爆炸后,除在装药下方岩体内形成压碎圈、裂隙圈和振动圈外,装药上方一部分岩石将被破碎,脱离岩体,形成爆破漏斗。
应力波在节理岩体中传播模型实验研究的开题报告
一、研究背景
节理岩体是广泛存在于地质工程中的一种岩石类型,其具有裂隙较多、韧性差等特点,容易受到地震、爆炸等外力作用的影响,引发岩石
崩塌、滑坡等地质灾害。
而应力波是这些外力的一种传播形式,其在岩
体中传播的方式和速度与岩体的物理特性密切相关,因此对于应力波在
节理岩体中的传播模型进行研究,对于预测和防范地质灾害具有重要的
意义。
二、研究目的
本研究旨在探究应力波在节理岩体中的传播规律和特性,建立起相
应的传播模型,为岩体建筑工程提供技术支持。
三、研究方法
1.实验方法
在岩石试验室中,设计一套节理岩体实验装置,通过应力波发生器
对节理岩体施加激励波,利用传感器记录应力波在岩体中传播的速度、
强度等信息,并对数据进行分析,从而得出应力波在节理岩体中的传播
模型和规律。
2.数值模拟方法
在进行实验的同时,利用数值模拟软件对实验过程进行模拟,并进
行数值分析,得出应力波在节理岩体中的传播模型和规律。
四、研究内容和计划
本研究将主要包括以下内容:
1.设计节理岩体实验装置,并进行实验,获取数据。
2.开展数值模拟研究,得出应力波在节理岩体中的传播模型和规律。
3.对实验数据和数值模拟结果进行比对和分析,提出对应变形、强度、轴向波速以及斯特劳比比等参数的影响规律。
4.总结应力波在节理岩体中的特征和传播规律,建立应力波在节理
岩体中的传播模型和理论基础。
该研究计划在两年内完成,其中第一年主要是实验工作和数据收集,第二年主要是数据分析和模型建立。
平面应力波在岩质边坡中的传播规律研究近年来,由于山体活动、气候变化、人为干扰等因素,造成国内外一系列岩质边坡发生垮塌、滑坡灾害,对此我国采取了一系列措施,以减缓岩质边坡垮塌滑坡,但由于研究失误及人为因素,造成了惨重的损失。
因此,有关岩质边坡稳定性的研究越来越受到重视。
科学家们研究发现,平面应力波是至关重要的一种影响岩质边坡稳定性的因素,因此对其进行研究,可以更准确的判断岩质边坡的变形性质及发生滑坡的可能性。
本文旨在探讨平面应力波在岩质边坡中的传播规律,以更好的预测和防御岩质边坡发生滑坡灾害。
首先,从岩质边坡力学特性出发,介绍了平面应力波传播的性质及机理。
根据研究,基于岩石的安定性,平面应力波的传播过程满足平行性和传播规律,并且受到地质条件及本身特征的限制,其传播方式及走向可以自行调整,构成一个多维复杂的系统。
其次,主要介绍了岩质边坡应变强度阈值的确定以及应力变化规律。
根据不同岩石差异,需要确定地质条件下合理的应变强度阈值,只有确定边坡应力变化时合理的阈值,边坡才能够稳定。
而应力变化规律则可以从应力衰减定律出发,研究平面应力波的传播会按照一定的应力衰减定律而发生。
随后,本文通过岩质边坡模型试验研究,考察了平面应力波在岩质边坡中的传播规律。
主要考察的内容包括:平滑的坡度弧度对应力波衰减的影响;纯应力是否可以有效保护坡脚处的不稳定;应力释放传播时临界点的位置和特征;应力释放受到弯曲坡面和中部支撑的影响等。
最后,本文提出了一种新的实验方法,以试验反应地基下岩质边坡的应力传播规律。
实验方法所考察的内容包括:坡度对应力波传播的影响;坡脚附近的混凝土筑脚对应力传播的影响;应力波传播的走头速度;混凝土抗菌力的影响及其他。
综上所述,本文研究了平面应力波在岩质边坡中的传播规律,充分考察了岩质边坡稳定性受到的因素,并从理论及实践两方面提出了一些对岩质边坡稳定性研究有助的方法,为岩质边坡稳定性的研究和监测提供参考。
研究也暴露出很多技术瓶颈的问题,需要今后的研究深入探索。
粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律与该岩石的物理特性有关,主要包括以下几个方面:
1. 岩石的密度和泊松比:粗粒花岗闪长岩的密度一般在
2.6-
2.8g/cm³之间,泊松比在0.2-0.3之间。
密度越大,波速越大,传播距离越远,衰减越慢;泊松比越小,岩石的弹性越好,传播距离越远,衰减越慢。
2. 岩石的弹性模量和剪切模量:弹性模量和剪切模量决定了岩石对应力波的响应能力。
弹性模量越大,岩石的刚性越好,传播距离越远,衰减越慢;剪切模量越大,岩石的粘性越好,传播距离越远,衰减越慢。
3. 岩石的孔隙度和渗透率:岩石中的孔隙度和渗透率越大,岩石的弹性越差,传播距离越短,衰减越快。
4. 应力波的频率和波形:应力波的频率和波形对传播距离和衰减也有影响。
高频波的传播距离比低频波短,衰减也更快;波形越复杂,衰减也越快。
综上所述,粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律是一个综合影响的结果,需要综合考虑多种因素才能确定。
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