节理粗糙度对岩体抗压动态力学特性影响的实验研究

发布时间：2017-12-24 17:16

  本文关键词：节理粗糙度对岩体抗压动态力学特性影响的实验研究　出处：《北京科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：岩体作为一种典型的非连续体,节理的存在对整个岩体的动态力学特性起决定性作用,而粗糙度是影响节理力学性质的关键因素。针对节理的不平整度,本论文按照节理接触面积(节理吻合系数的形式表示)、节理厚度和节理的分布情况对节理的粗糙度进行定量描述。鉴于此,采用改进型霍普金森压杆实验设备,研究一维应力波在节理岩体中的传播情况,并结合具有粗糙度的节理岩体动力学模型,本论文系统地揭示了节理粗糙度对应力波传播的透反射效应和节理岩体抗压动态力学特性的影响机制。取得的主要成果包括：(1)以特征线法和位移不连续理论为基础,建立具有粗糙度的节理岩体动力学模型。该模型视节理吻合系数为一个主要影响参数,在模型中输入入射波,可计算得到反射波和透射波,即应力波在节理岩体中的传播情况。最后计算得到节理岩体的应力、应变、法向闭合量等反应其抗压动态力学性质的参数。(2)采用自主研发的改进型霍普金森花岗岩压杆(SHGPB)实验设备,开展节理粗糙度对应力波传播规律影响的实验研究,并与具有粗糙度的节理岩体动力学模型的计算结果进行对比。试样和杆件均采用高品质花岗岩。试样一个端面上切割的人工节理具有一定的节理吻合系数和节理厚度。采用改进型两点式波分离方法分离应变片采集到的实验数据,计算可得到节理两端面上的入射波、反射波和透射波,以及节理岩体的各个动态力学参数,如压力-闭合量关系、比刚度和等效弹模等。于是得到节理吻合系数和节理厚度对应力波在节理岩体中传播的透反射效应及岩体抗压动态力学特性的影响规律。通过实验结果与动力学模型计算结果的对比,发现所获得的关于节理粗糙度的影响规律相同,但在节理吻合系数较大时,两者结果更为相近。(3)由于计算分析中,将岩体视为弹性介质,故采用较为均匀稳定的铝合金材料进行模拟实验。通过自主研发的改进型霍普金森铝合金压杆(SHAPB)设备开展实验,研究节理粗糙度的三个量化指标：节理吻合系数、节理厚度和节理分布(从离散到聚合、中间到边缘),分别对应力波在节理岩体中传播规律的影响,进而得到节理粗糙度对岩体抗压动态力学特性的影响。试样和杆件采用同材质铝合金。在试样与透射杆接触的端面上切割人工节理,使其具有不同的粗糙度。实验数据分析计算方法基本同SHGPB实验。通过对比各实验所得的透射系数、动态压力-闭合量曲线、比刚度、等效弹模等,得到节理粗糙度的三个量化指标对应力波传播的透反射效应及节理岩体抗压动态力学特性的影响规律,且在一定程度上验证了SHGPB实验的结果。综上,随着节理吻合系数的减小、节理厚度的增大、节理的分布从离散到聚合、有效接触部位从中间到边缘,节理的透射系数和比刚度逐渐减小,节理岩体的等效弹模也逐渐减小,说明节理岩体的的透射效应和抗压动态力学强度逐渐减弱,且这些影响作用在节理吻合系数较小时更为显著；而具有粗糙度的节理岩体动力学模型的计算结果在节理吻合系数较大时与实验结果更为接近。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45

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本文编号：1329256