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不同地应力下节理岩体中爆炸应力波传播与衰减规律研究

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第1章 绪论

1.1 选题背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 节理岩体中应力波传播规律的理论研究现状

1.2.2 应力波传播规律的试验研究

1.2.3 节理岩体中应力波传播的数值模拟研究现状

1.2.4 初始地应力下岩体中应力波传播和衰减规律的研究现状

1.3 现有研究中存在的主要问题

1.3.1地应力下节理岩体中应力波传播理论研究存在的主要问题

1.3.2地应力下应力波在节理岩体中传播试验研究存在的主要问题

1.3.3地应力下应力波在节理岩体中传播数值研究存在的主要问题

1.4 本文的主要研究内容及技术路线

1.4.1主要研究内容

1.4.2技术路线

1.4.3创新点

第2章 不同地应力下节理岩体中爆炸应力波传播特性的模型试验

2.1 相似理论与模型材料选取

2.1.1 相似理论

2.1.2 模型材料配合比试验

2.1.3 模型材料物理力学特性试验

2.1.4 节理模拟材料力学性质试验

2.2 加载设备及数据测试采集系统

2.2.1 静力加载设备

2.2.2 试验数据测试系统

2.2.3 试验数据采集系统

2.3 模型试块设计及制作

2.3.1 模型试块设计

2.3.2 模型试块制作

2.3.3 模型试块吊装

2.4 爆炸荷载施加方法及模型试验工况

2.4.1 爆炸荷载施加方法

2.4.2 重复施加爆炸荷载方案

2.4.3 模型试验工况

2.5 本章小结

第3章 不同地应力下一维应力波在节理岩体中的传播衰减规律

3.1 地应力下一维应力波穿越多条平行节理的传播方程

3.1.1 节理力学模型

3.1.2 地应力下一维应力波穿越多条平行节理的传播力学模型

3.1.3 地应力下一维应力波在节理处的传播方程推导

3.2 不同地应力下爆炸应力波垂直入射节理岩体的试验结果

3.2.1 爆炸应力波在完整岩石中传播规律的试验结果

3.2.2 爆炸应力波在节理岩体中传播规律的试验结果

3.3 试验与理论结果对比验证

3.3.1 应力波波形对比分析

3.3.2 应力波透射系数对比分析

3.4 本章小结

第4章 不同地应力下二维应力波在节理岩体中的传播衰减规律

4.1 地应力下柱面应力波在节理岩体中的传播方程

4.1.1 地应力下柱面波在完整岩石中的传播衰减规律

4.1.2 节理力学模型

4.1.3 地应力下柱面波在单节理岩体中的传播方程

4.1.4 地应力下柱面波在多节理岩体中的传播方程

4.2 地应力下柱面应力波在完整岩石中传播规律的试验结果

4.2.1 模型试块中柱面波传播均匀性分析

4.2.2 双向等围压下柱面波在完整岩石中的传播衰减规律

4.2.3 侧压力系数对柱面波传播衰减规律的影响

4.3 地应力下柱面应力波在节理岩体中传播规律的试验结果

4.3.1 不同围压下柱面波在节理岩体中的传播衰减规律

4.3.2 侧压力系数对柱面波透射系数的影响

4.3.3 节理的数量和角度对应力波透射系数的影响

4.3.4 试验与理论计算结果对比分析

4.4 本章小结

第5章 地应力下爆炸应力波在节理岩体中的能量传递规律

5.1 爆炸应力波能量传递系数

5.2 不同地应力下爆炸应力波在完整岩石中的能量传递系数

5.2.1 围压对应力波能量传递系数的影响

5.2.2 侧压力系数对应力波能量传递系数的影响

5.3 不同地应力下应力波垂直入射节理岩体的能量传递规律

5.3.1 围压对应力波能量传递系数的影响

5.3.2 节理数量对应力波能量传递系数的影响

5.4 不同地应力下应力波斜入射节理岩体的能量传递系数

5.4.1 围压对应力波能量传递系数的影响

5.4.2 侧压力系数对应力波能量传递系数的影响

5.4.3 节理角度对应力波能量传递系数的影响

5.5 本章小结

第6章 双向等压静载下应力波在节理岩体中传播的数值研究

6.1 离散元数值计算软件UDEC简介

6.2 考虑初始损伤岩石莫尔库伦本构模型的建立与数值实现

6.2.1 考虑初始损伤的岩石莫尔库伦本构模型的建立

6.2.2 所建立岩石本构模型的数值实现

6.3 考虑初始损伤的岩石莫尔库伦本构模型的数值验证

6.3.1 数值模型的建立及计算参数选取

6.3.2 数值与模型试验结果对比验证

6.4 节理角度和数量对应力波传播规律影响的数值计算

6.4.1 节理角度的影响

6.4.2 节理数量的影响

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

博士期间参与的主要科研项目

博士期间参与的主要工程项目

博士期间发表的论文

致谢

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摘要

随着国民经济的不断发展以及人民美好生活的愿景,对于清洁能源和便利交通的需求愈发强烈,同时西部大开发、南水北调、国家中长期铁路及公路规划、“一带一路”等国家层面的政策和规划相继布局和贯彻落实,深埋、大跨度及复杂地质条件下地下工程的建设成为我国水利水电、公路铁路及能源开采等领域工程建设的“新常态”。现阶段,地下工程岩体的开挖仍以钻孔爆破法为主,爆破开挖时岩体所承受载荷是在一定初始地应力下的动力扰动。从地下工程建设全局出发,研究爆炸应力波在工程岩体中的传播规律时,须考虑初始地应力的影响。 众所周知,天然岩体是由完整岩石和节理、裂隙等构成的地质体,由于组成岩体介质的离散和不连续性,需分别对爆炸应力波在完整岩石和节理处的传播特性开展研究,才能全面地获取其在节理岩体中的传播规律。基于此,本文以“岩体结构”观点为前提,即认为节理岩体是由完整岩石及节理所组成的地质结构体,在揭示地应力变化对爆炸应力波分别在完整岩石及节理处传播特性影响的基础上,对不同地应力下爆炸应力波在节理岩体中的传播衰减规律,分别开展了模型试验、理论推导及数值模拟三个方面研究,完成的主要工作有: (1)综合分析了国内具有代表性的几个深地下工程围岩力学参数,确定了模型试验原岩物理力学参数选取范围,随后基于相似理论、配合比试验和室内试验得出了模型材料的配合比及物理力学参数;选用了大型地质力学试验装置来施加双向等围压及不等围压静载,制作了大尺寸模型试块(1600mm×1300mm×400mm),在试块中心采用了柱状装药的导爆索来产生爆炸荷载,实现了不同静载下大尺寸试块爆炸应力波传播试验;考虑节理角度和数量对爆炸应力波传播规律的影响,分别设计并制作了单节理、双节理及多节理试块,试验中装药量保持不变,采用了单个试块重复施加爆炸荷载的方法,对不同地应力下爆炸应力波在完整岩石及节理岩体中的传播与衰减规律进行了研究。 (2)针对地应力下爆炸应力波垂直入射节理岩体的传播衰减规律,在多节理试块开展的不同双向等围压静载工况的试验结果基础上,研究了围压和节理数量对应力波传播规律的影响;考虑地应力对节理初始刚度的影响,同时基于位移不连续理论并结合时域递归法,推导出了地应力下一维应力波穿越多条平行节理的传播方程,并从波形和透射系数两个方面对比分析了理论与试验结果。 (3)对于地应力下应力波斜入射节理岩体,在单节理和双节理试块中开展了双向等围压和不等围压静载下爆炸应力波传播试验,基于柱面波传播理论分析了围压、侧压力系数和节理角度对应力波传播规律的影响;考虑地应力对节理刚度及柱面波在完整岩石中传播的几何及物理衰减的影响,并结合位移不连续理论和时域递归法,以及柱面波在节理之间岩石介质透反射过程中所发生的衰减,分别推导出了地应力下柱面波在单节理岩体和多节理岩体中的传播方程,并将理论与试验结果进行了对比。 (4)基于不同模型试块中与爆源同等距离测点所采集的应力和应变时程曲线,结合应力波传播理论,推导出了应力波能量传递系数,并以此分析了不同静载下爆炸应力波在完整岩石,以及垂直和斜入射节理岩体的能量传递规律,分别研究了围压、侧压力系数、节理角度和数量的影响。 (5)通过模型试验中不同双向等围压下完整岩石中应力波速的变化确定了其初始损伤变量的演化规律,并结合莫尔库伦强度准则,建立了考虑初始损伤的岩石莫尔库伦弹塑性本构模型。利用UDEC自带fish语言对该本构模型进行了数值实现,同时结合节理非线性变形模型,对试验中所开展的双向等围压静载工况进行了数值计算,并与试验结果进行了对比验证。最后基于该数值计算方法,更深入地研究了围压、节理角度和数量对应力波传播规律的影响。

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