【摘 要】
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由于长期的物理和化学风化作用,大量不连续且不均匀的节理存在于岩体结构中,使得天然状态下的岩体成为具有复杂特性的地质体。当冲击荷载或爆炸作用产生的应力波在岩体结构中传播时,不连续的节理面对应力波传播规律产生影响,造成不同程度的应力波衰减现象。同时,节理构造改变了岩体结构的强度和刚度,极大程度地威胁到岩土工程的安全性。人们需要更深刻地认识节理构造对岩体的影响,理解和评价岩体结构的动力学响应,从而开展对
【基金项目】
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国家自然科学基金(41525009,41831281); 中央高校基本科研业务费专向资金(3205002010A2);
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由于长期的物理和化学风化作用,大量不连续且不均匀的节理存在于岩体结构中,使得天然状态下的岩体成为具有复杂特性的地质体。当冲击荷载或爆炸作用产生的应力波在岩体结构中传播时,不连续的节理面对应力波传播规律产生影响,造成不同程度的应力波衰减现象。同时,节理构造改变了岩体结构的强度和刚度,极大程度地威胁到岩土工程的安全性。人们需要更深刻地认识节理构造对岩体的影响,理解和评价岩体结构的动力学响应,从而开展对岩土工程风险性的评估和预测,降低工程地质灾害的危害。研究表明节理面的形貌特征对岩体结构的物理力学性质有重要的影响,如节理的吻合度(也称接触面积比JMC)是描述节理表面特征的一个重要参数。本文以具有不同JMC的粗糙节理试样为研究对象,探究在动态冲击荷载下节理构造(包括吻合度、节理面起伏度、节理分布情况和节理厚度)对应力波传播的影响规律。同时对冲击荷载下的节理试样进行动力学分析,着重展开了节理面动态损伤效应的一系列研究。为模拟并量化具有不同形貌特征的节理试样,本文采用操作简单且易重复加工的浇筑法制备试样。同时考虑到冲击荷载下节理面发生损伤的可能性,试样的粗糙节理设计成由一定高度不同数量的梯台组成。本文在讨论节理面特征的影响时,考虑了JMC、节理面分布情况、节理面起伏度和节理厚度四个因素。前两个因素通过调整梯台数和梯台顶面尺寸来控制,起伏度与试样的梯台角有关,而梯台高度决定了节理厚度。本文采用霍普金森压杆(SHPB)装置对节理试样进行动态冲击试验。为了观察并评价节理面的动态损伤效应,避免在节理面破损现象出现前试样发生整体破坏,本文采取低幅值多次冲击对试样进行加载。摆锤设备通过控制摆锤角以调整冲击速度,能够多次重复地产生相对稳定的低幅值动态荷载,因此替代传统SHPB中的氮气加载设备作为动力加载部件。实验后的数据分析主要从应力波传播规律和动力学特性两个方面展开。首先,基于SHPB原理对实验记录的应变数据进行分析,从透射系数和能量耗散两个角度研究应力波的衰减程度,讨论了JMC等节理性质的影响规律。其次,由节理试样的应力应变关系展开动态力学分析,利用动态割线模量比较不同试样的抗变形能力。将试样的整体变形看成节理部分和完整岩石两部分组成,进一步分析得到节理的应力闭合量曲线,并且定义节理刚度系数以反映节理法向闭合行为。一系列参数研究表明节理的形貌特征和几何构造影响着应力波的衰减程度,也对试样及节理部分的变形能力有重要意义。最后,在动力学特性分析中着重关注节理面的动态损伤效应,借助三维扫描仪获取冲击前后的粗糙节理面形貌特征。基于软件的数字模型对比分析发现粗糙节理面的损伤集中出现在凸起的梯台位置处,冲击荷载会造成节理面的起伏度减小,粗糙度增加。此外,定义节理部分的体积损失率以比较不同试样的节理损伤程度,结果表明:节理面的形貌特征不仅影响着试样的破损形态,也与节理面损伤程度紧密相关。
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