考虑深部岩体应力的结构面中应力波传播特性分析

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应力波在含结构面岩体中的传播一直是岩石动力学的一个重要课题。深部岩体应力会影响岩体结构面的力学特性,进而影响应力波的传播规律。另外,自然界结构面不仅分布形式多种多样,像单条结构面、交叉形态结构面、平行结构面等,而且结构面材料不同,导致它的本构关系也不同,应力波结构面中传播轨迹和透反射特征受结构面分布形式和它自身的力学特性影响。本文考虑了岩体应力作用,分析了应力波在岩体结构面中传播,主要研究内容如下:(1)基于现有的地应力研究成果,提出可以近似描述深部岩体应力的数学表达式。在选择适合的结构面模型后,基于时域递归分析方法,对考虑岩体应力情况下应力波与非线性岩体结构面的相互作用进行了分析,推导出了P、S波在单条结构面的传播方程。研究中假定岩体结构面法向满足非线性双曲变形模型,切向满足库伦滑移模型。其次,对一些特殊情况,如结构面水平或垂直分布、波阵面水平分布等,进行了计算模型和波的传播方程的简化分析。通过对比,发现岩体应力对应力波的传播特性有明显的影响。最后,参数研究分析了岩体应力特性、结构面特性及入射波频率等对透、反射系数的影响规律。(2)在此基础上,将应力波的传播方程从单结构面拓展到交叉形态的结构面中,理论推导平面P波在交叉分布的结构面中传播的速度方程。参数研究分析了岩体应力特性、结构面力学特性及入射波频率等对单条结构面或交叉形态结构面中平面P波透、反射系数的影响规律。(3)基于UDEC数值软件方便适用、良好经济性等优点,以此模拟研究考虑地应力环境下平面P波在复杂分布的结构面中的传播特性,将数值计算UDEC模型结果和平面P波在平行结构面中传播的理论计算结果对比,数值和理论结果相差不大,并用其模拟了不同地应力环境、入射波频率、结构面刚度等工况下平面P波在多组平行结构面中传播。
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