节理表面特征对波传播规律和节理动态力学特性影响研究

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节理是一种常见的岩体结构面,节理的存在不仅会造成岩体强度降低、变形增大。同时,应力波到达这些结构面的时候将发生反射和透射现象,从而导致应力波的延迟、波传播速度减慢以及能量的衰减。在地震及爆破等过程中,节理岩体的失稳通常是一个动态的破坏过程。因此,对于应力波在节理岩体中的传播规律以及节理动态力学特性的研究在岩石工程中具有重要的意义。  应力波穿越岩体节理面是一个复杂的物理力学过程,岩体节理面对应力波传播的影响以及其动态力学特性都与节理面几何参数密切相关。吻合度系数JMC和粗糙度系数JRC作为描述节理表面特征的两个重要参数对节理的动态力学特性和应力波的传播有重要影响。文中吻合度的大小通过接触面积比值的大小来表征。本文采用霍普金森压杆(SHPB)试验方法对JMC和JRC对一维P-波在节理岩体中的传播特性以及节理的动态力学特性的影响等问题开展了系统地研究工作。  首先,通过将表面切槽的岩块与未切槽的光滑平整岩块组合得到不同吻合度及不同接触面分布的节理岩块试样,采用传统的SHPB试验装置对节理岩块试样进行冲击加载试验。制样过程中通过控制切槽的宽度与切槽条数来得到不同的吻合度及不同分布的节理试样。然后引入透、反射系数定量分析吻合度系数对应力波传播的影响。并对节理的动态力学特性做了详细分析研究。实验结果表明,节理面的吻合度及分布都会对应力波的传播和节理的动态力学特性产生重要影响。  其次,粗糙度系数JRC作为描述节理表面特征的另一个重要参数对应力波传播及节理动态力学特性具有重要影响。利用3D打印机打印随机分布且完全吻合的粗糙石膏节理试样,然后利用3D扫描仪对节理表面形貌进行扫描,进而分析得到节理面的粗糙度系数JRC值。由于打印的石膏试样强度较低,因此引入了自行研制的高强石膏杆SHPB试验装置。采用弹簧加载装置进行加载,对改进的SHPB试验装置的可行性进行了研究,然后用改进的高强石膏杆SHPB试验装置研究了粗糙度系数JRC、应变率和尺寸效应对应力波传播及节理动态力学特性的影响。粗糙度系数不仅会对应力波的传播规律产生影响,而且对节理的动态力学特性有明显影响。JRC增大时,透射系数和节理刚度都会减小。  最后,在研究了粗糙度系数JRC对应力波传播规律及节理动态力学特性的影响之后,继续研究了粗糙度系数JRC与吻合度系数JMC对应力波传播及节理动态力学特性的共同影响。实验过程中,保持打印的粗糙节理试样的上部分不动,将节理试样的下半部分沿顺时针方向旋转一定的角度,得到不同吻合度的粗糙节理试样。吻合度的确定通过数格子的方法来确定。然后,用改进的SHPB试验装置对不同吻合度的粗糙节理试样进行冲击加载试验。结果表明,与JRC相比,JMC对应力波传播和节理动态力学特性的影响更明显,得到了透射系数、节理法向刚度与JRC、JMC间的拟合曲线表达式,可以为数值模拟参数设置提供参考。
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