不同节理岩石中应力波传播与能量传递规律研究

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为了研究应力波在节理岩体中的传播规律,揭示不同强度应力波在节理岩石中的传播规律,以及不同地应力下应力波在节理岩石中的传播规律。本文在分析节理不连续变形理论的基础上结合时域递推法,通过数学推导整理出应力波垂直入射多条平行节理的传播方程,得出应力波在节理岩体中的传播透射系数和能量传递系数。基于SHPB试验原理及要求、相似理论及静力学试验得出了模型材料的物理力学配合比和参数。使用改良的SHPB试验装置,通过改变子弹发射装置的气压来控制应力波强度,通过给轴围压装置加压的形式来改变岩石试件所受初始地应力。考虑节理数量对应力波传播规律的影响,分别设计并制作了无节理、单节理、双节理和三节理试件。在一维动载试验中,利用SHPB试验装置对节理岩石进行了一维动载冲击试验,得出了如下结论:(1)冲击气压相同时,随节理数量的增加透射应力波系数呈现逐渐减小的趋势。冲击气压为0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa,节理数量由0增至3时,透射应力波幅度分别减小74.54%、63.13%、52.27%、41.83%、38.63%。无节理岩石中一维应力波透射系数随着冲击气压的增加而减小。当节理数为1~3时,一维应力波透射系数随着冲击气压的增加呈现先增加后减小的趋势。(2)在相同冲击气压下,节理数量的增加会导致应力波能量传递系数的减小。当冲击气压分别为0.20MPa、0.25MPa、0.30MPa、0.35MPa和0.4MPa,节理数量由0增至3时,能量传递系数的减小幅度分别为95.1%、88.5%、83.3%、74.7%、70%。随着冲击气压增加,无节理岩石和单节理岩石中能量传递系数呈现逐渐减小的趋势。在双节理、三节理岩体中,随着冲击气压的增加,应力波传递系数先增加后减小。在三维动静组合加载试验中,利用改良的SHPB试验装置,对含不同数量平行节理的试件进行了预加载下的冲击试验,得出了如下结论:(1)在围压一定时,随着节理数量逐渐增加,一维应力波在节理岩石中的透射系数均呈现了逐渐减小的趋势。当围压分别为2MPa、4MPa、8MPa及12MPa,节理数量由0增至3时,透射应力波幅度分别减小48.64%、37.43%、32.27%、42.02%。当冲击气压和轴压一定,围压由2MPa增加至4MPa时,节理岩石的透射系数呈现增加趋势,增加幅度分别为3.56%、6.00%、7.73%、26.16%。围压由4MPa增加到12MPa时,节理岩石中的透射系数呈现减小趋势,其减小幅度分别为37.80%、32.46%、28.77%、55.03%。(2)围压相同时,随着节理数量的增加,应力波能量传递系数逐渐减小。当围压分别为2MPa、4MPa、8MPa和12MPa,节理数量由0增至3时,能量传递系数的减小幅度分别为68.20%、56.67%、48.19%、56.50%。当围压从2MPa增加到12MPa时,节理岩石的能量传递系数呈现先增加后减小的趋势。SHPB试验中对不同节理岩石进行了冲击试验,从应力波时程曲线、峰值应力、透射系数以及能量传递系数四个角度分析了试验结果,得出了应力波在节理岩石试件中的传播规律和能量传递规律,对爆破开挖的岩土工程具有重要的理论指导和实际工程意义。
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