【摘要】：巖石節(jié)理的存在造成了巖體結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)和不均勻,進(jìn)而顯著地影響了巖石的力學(xué)性質(zhì)以及振動(dòng)、滲透以及熱傳導(dǎo)性能等。當(dāng)沖擊荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波在節(jié)理巖體中傳播時(shí),巖體節(jié)理、夾層等結(jié)構(gòu)面會(huì)嚴(yán)重影響波的傳播規(guī)律,導(dǎo)致波幅值的衰減、高頻濾波、信號(hào)的延遲以及波傳播速度的減慢,阻礙應(yīng)力波的傳播,加劇應(yīng)力波能量的衰減。在采礦、公路、水利水電、石油等項(xiàng)目中,節(jié)理巖體作為邊坡、硐室工程中最重要的介質(zhì),在爆破開挖等動(dòng)態(tài)荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征,將直接影響工程的安全和質(zhì)量,很多的實(shí)際工程事故都是由于沒有正確認(rèn)識(shí)或不重視巖石中的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的工程的影響造成的。因此,研究節(jié)理特征及其對(duì)巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性狀的影響,對(duì)巖土工程中動(dòng)荷載作用下的穩(wěn)定性分析、爆炸能量利用率的提高、爆破效果和防震設(shè)計(jì)的改善等都具有重要指導(dǎo)作用,也對(duì)國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)具有重大意義。本文從巖石中存在的節(jié)理、裂隙等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面出發(fā),在深入分析研究國內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上,首先,運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)的基本方法推導(dǎo)并獲得應(yīng)力波傳播的基本方程;進(jìn)而詳細(xì)解析了有限長彈性桿撞擊時(shí)的彈性波透、反射傳播過程,包括不同介質(zhì)界面波傳播的透、反射系數(shù)計(jì)算公式等,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)應(yīng)力波斜入射單節(jié)理的傳播理論并得到此條件下應(yīng)力波在節(jié)理面處的透、反射系數(shù)表達(dá)式以及入射能、反射能、透射能、耗散能的計(jì)算公式;然后,依據(jù)相似理論,用砂漿和石膏材料按節(jié)理幾何特征模擬制作多種不同結(jié)構(gòu)樣式的節(jié)理巖石試件,并借助SHPB試驗(yàn)裝置對(duì)節(jié)理巖石試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn),系統(tǒng)地研究了節(jié)理角度、節(jié)理充填材料及厚度、節(jié)理數(shù)目及間距以及應(yīng)變率和加載速度對(duì)沖擊荷載條件下巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性狀的影響規(guī)律,最終獲得了一系列的研究成果,歸納后分為以下三個(gè)部分:(1)對(duì)人工形成的不同角度節(jié)理巖石試件進(jìn)行沖擊壓縮動(dòng)態(tài)試驗(yàn),從能量傳遞、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度以及破壞形態(tài)角度分析節(jié)理角度對(duì)巖體中波傳播性質(zhì)的影響,并探索不同加載應(yīng)變率對(duì)含單條節(jié)理的巖石試件動(dòng)力特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)論如下:a)對(duì)相同尺寸的完整試樣進(jìn)行不同速度下的沖擊試驗(yàn),確定用于能量分析的沖擊速度范圍。相同入射能條件下,和完整試件相比,0°傾角節(jié)理試件的反射能量比、透射能量比、能量耗散比基本和完整試件相等,這與靜力學(xué)中巖石結(jié)構(gòu)弱面對(duì)其強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)論相符;當(dāng)節(jié)理傾角從15°增加到60°時(shí),反射能量比逐步提高,透射能量比逐漸下降,60°時(shí)反射能量比最大,是完整試件的1.56倍,透射能量比最小,只占完整試件的11.04%;而節(jié)理傾角為90°時(shí),反射能量比下降,透射能量比反而上升,占完整試件的40.46%;能量耗散比隨節(jié)理角度呈波動(dòng)變化,30°時(shí)能耗比最大,約為完整巖石的2倍,60°時(shí)最小,基本和完整試件相等。b)節(jié)理角度在0°~30°范圍變化時(shí),反射能量比緩慢增加,從50.14%增加到55.13%,當(dāng)節(jié)理角度從30°增加到60°時(shí),反射能量比增加幅度也提高,從55.13%變?yōu)?6.58%;當(dāng)節(jié)理角度為90°時(shí),反射能量比又降到58.29%。節(jié)理角度在0°~60°范圍變化時(shí),透射能量比逐步降低,60°時(shí)最小,總體由32.43%降到3.58%;但是,當(dāng)節(jié)理角度為90°時(shí),能量透射提高,透射能量比升為13.12%;節(jié)理角度在0°~30°范圍變化時(shí),能量耗散比逐步增加,從18.51%增加到36.58%,隨著節(jié)理角度從30°增加到60°,能量耗散比開始下降,由36.58%降為19.86%,當(dāng)節(jié)理角度為90°時(shí),能量耗散比又增大為28.6%。c)沖擊荷載條件下,節(jié)理傾角小于等于60°時(shí),試件峰值強(qiáng)度隨著節(jié)理傾角的增大逐漸減小,當(dāng)節(jié)理面傾角接近材料的破壞角時(shí),節(jié)理試件的動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度最小。大于60°小于90°時(shí),峰值強(qiáng)度又逐步上升;完整試件的動(dòng)態(tài)彈性模量明顯大于其它節(jié)理試件,完整試件、0°、和90°節(jié)理試樣主要為脆性破壞,其他角度節(jié)理試件則表現(xiàn)為張拉破壞和剪切破壞。d)完整試件、15°和30°節(jié)理角度試件的入射能、反射能、透射能和耗散能隨應(yīng)變率基本上呈弱冪函數(shù)關(guān)系或線性關(guān)系,節(jié)理角度雖然影響了巖石各能量的大小和變化速率,但并未改變各能量的變化趨勢;動(dòng)態(tài)彈性模量及破壞形態(tài)都有很強(qiáng)的應(yīng)變率相關(guān)性。動(dòng)態(tài)彈性模量隨應(yīng)變率的提高均有增大趨勢;應(yīng)變率越大,試件破壞越嚴(yán)重,破碎塊度越小,完整巖石裂紋缺陷沿著平行于壓應(yīng)力的方向擴(kuò)展;應(yīng)變率較低時(shí),傾斜節(jié)理降低了試件的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力,沿節(jié)理面出現(xiàn)的剪切作用影響了巖石的破壞形式,但當(dāng)應(yīng)變率增大到一定程度,節(jié)理角度小于30°對(duì)巖石破壞形態(tài)的影響不再明顯。(2)按設(shè)計(jì)配比澆筑模擬巖石試件并人工形成貫通節(jié)理,然后用相似的方法制作不同配比的夾層材料,包括石膏,組合成充填節(jié)理試件后,通過shpb裝置對(duì)含不同夾層的節(jié)理試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊壓縮實(shí)驗(yàn),分析應(yīng)力波穿越含不同厚度或波阻抗充填物試件的能量傳遞耗散規(guī)律、強(qiáng)度特征以及破壞形態(tài),獲得以下試驗(yàn)結(jié)論:a)相同入射能條件下,充填節(jié)理的厚度越大,應(yīng)力波的透射能力越小,能量耗散比越大;充填較厚試件的動(dòng)態(tài)彈性模量大于充填較薄的試件但小于完整試件,節(jié)理巖體的峰值強(qiáng)度隨充填厚度的增加呈指數(shù)形式衰減;不同充填厚度試件的破壞模式主要為壓應(yīng)力作用下的張拉破壞,裂紋均順著主應(yīng)力方向。b)相同入射能條件下,隨著充填材料強(qiáng)度的降低,反射能量比呈上升趨勢,透射能量比逐漸下降,能量耗散比由節(jié)理充填材料的性質(zhì)決定。動(dòng)態(tài)彈性模量隨充填材料強(qiáng)度的增大而升高;動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨充填材料強(qiáng)度的降低呈指數(shù)形式衰減;軟材料充填試件呈現(xiàn)出一定的塑性破壞特征,試件的整體破壞形態(tài)與充填材料性質(zhì)密切相關(guān)。c)充填節(jié)理巖石的入射能和反射能隨著沖擊速度的增大均呈增長趨勢,透射能在某臨界沖擊速度時(shí)達(dá)到最大值;損傷變量隨沖擊速度呈弱冪函數(shù)增加關(guān)系,滿足2d??0.11v?1.31v?3.01,試件破壞時(shí)的損傷d值約為0.458。試件應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線及破壞形態(tài)具有很強(qiáng)的沖擊速度相關(guān)性,動(dòng)態(tài)彈性模量隨沖擊速度的提高而增大,應(yīng)力峰值隨沖擊速度的增加滿足0.177max1.155.89v?e????。(3)通過沖擊試驗(yàn)探究節(jié)理數(shù)目、節(jié)理間距以及加載速度對(duì)沖擊荷載作用下巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性狀的影響效應(yīng),得到如下試驗(yàn)結(jié)論:a)相同入射能量條件下,單條水平節(jié)理試件的反射、透射以及耗散能量比基本和完整試件相等。隨著節(jié)理面的增多,透射能越少,巖石的破壞應(yīng)力和應(yīng)變也隨之減小,峰值強(qiáng)度則近似直線遞減。相同沖擊速度下,節(jié)理數(shù)目越多,試件破壞越嚴(yán)重。b)當(dāng)含兩條平行貫通節(jié)理試件各段材料相同且入射能相同時(shí),隨節(jié)理間距在5mm~42mm范圍內(nèi)遞增,反射能量比呈減小趨勢,透射能量比變化不大但小于完整試件,耗散能量比逐漸增大。盡管各試件受壓破壞時(shí)的變形隨著節(jié)理間距的增加有所增大,但動(dòng)態(tài)彈性模量和受力變化過程相似,破壞形態(tài)保持一致。c)入射能和反射能隨著沖擊速度的增大均呈增長趨勢,透射能在沖擊速度增大到某臨界值時(shí)達(dá)到最大,隨后又減小,該臨界值由節(jié)理試件材料的抗沖擊強(qiáng)度決定;能耗比隨沖擊速度的提高基本呈增長趨勢,速度再增加時(shí),能耗比反而減小。沖擊速度在3.263m/s~5.326m/s范圍內(nèi),損傷變量隨沖擊速度呈弱冪函數(shù)增加關(guān)系,滿足0.3210014.080.83vde????,試件破壞時(shí)的損傷d值約為0.721。對(duì)以上大量的試驗(yàn)結(jié)論歸納總結(jié),得到如下幾個(gè)創(chuàng)新性研究成果:(1)運(yùn)用模擬試驗(yàn)方法,人工預(yù)制了不同節(jié)理角度、數(shù)目、間距、充填厚度和充填材料的試件,沖擊試驗(yàn)表明,反射能、透射能和耗散能都有很強(qiáng)的角度相關(guān)性,試件在節(jié)理傾角接近材料的破壞角時(shí)動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度最低。(2)試驗(yàn)得到節(jié)理充填材料、節(jié)理數(shù)目、間距對(duì)應(yīng)力波傳播的影響規(guī)律,相同入射能條件下,隨充填厚度的增加,材料動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)形式衰減。(3)試驗(yàn)表明類節(jié)理巖石材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和破壞形態(tài)具有很強(qiáng)的沖擊速度相關(guān)性,試件的沖擊響應(yīng)各能量隨沖擊速度基本呈非線性關(guān)系,用能量表征的損傷變量隨沖擊速度呈指數(shù)增加關(guān)系。
【圖文】：

1.1 選題背景及意義巖石是一種天然地質(zhì)體，是巖體的組成部分，內(nèi)部存在著大量不同尺度的細(xì)、微觀缺陷，比如節(jié)理、裂隙等，，如圖1.1所示。在荷載和外界環(huán)境的循環(huán)作用下，這些缺陷擴(kuò)展、匯合形成節(jié)理，節(jié)理的存在使得巖體具有不連續(xù)性、非均勻性和各向異性，同時(shí)，也極大的影響著應(yīng)力波在巖石中的傳播規(guī)律，比如，傳播到節(jié)理面處的應(yīng)力波會(huì)發(fā)生透射與反射，傳播速度的變化以及波振幅的衰減，從而導(dǎo)致應(yīng)力波能量的衰減。總之，節(jié)理對(duì)巖體在靜力和動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)行為起主導(dǎo)作用。在采礦、公路、水利水電、石油等項(xiàng)目中，節(jié)理巖體作為邊坡、硐室工程中最重要的介質(zhì)，在外荷載下的破壞模式、強(qiáng)度和變形特性等特征，將直接影響工程的設(shè)計(jì)和施工。圖1.1 天然巖體Fig.1.1 Natural rock巖石節(jié)理的存在造成了巖體的不連續(xù)和不均勻

圖 1.2 山體滑坡事故Fig.1.2 A landslide accident決巖體工程中的相關(guān)問題時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)節(jié)理影質(zhì)的研究方法和分析手段，在巖石工程力學(xué)中也的研究文獻(xiàn)及成果已經(jīng)不少，如 Indraratna, B[1, 2夏才初[7]等，針對(duì)節(jié)理裂隙的粗糙度、形態(tài)、壁究，并給出了各分形表達(dá)式。節(jié)理巖體力學(xué)性質(zhì)見，盛謙等[8]針對(duì)三峽工程船閘區(qū)典型地段的節(jié)學(xué)參數(shù)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)；白明洲等[9]應(yīng)用分形理論系統(tǒng)廠房不同工程部位的圍巖變形特征；李同錄等[1選取節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)，為浙江三門核電站邊坡合[11]、陳運(yùn)平[12]、劉剛[13]、王謙源[14]、李宏哲[1理論計(jì)算、試驗(yàn)?zāi)M等手段研究了巖石節(jié)理的相中，為邊坡或硐室的變形和穩(wěn)定性分析提供指導(dǎo)探究巖石節(jié)理特性對(duì)巖土工程影響，而實(shí)際工程
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU452

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本文編號(hào)：2582294