复杂共生型危岩破坏激振效应研究

摘要

实践表明，大型崩塌灾害源均存在危岩聚集体，当某一危岩块体崩落时，危岩体应变能的急速释放在断裂面上诱发激振波，对其余危岩体造成损伤和破坏，从而导致危岩聚集体的群发性崩塌。本文对复杂共生型危岩破坏的激振效应展开研究，取得如下成果:
　　(1)建立了简单的危岩断裂模型，从能量角度分析，当裂纹发生扩展时，裂纹体的位能将降低而释放出应变能，应变能由弯曲应变能与剪切应变能组成，应变能的部分转化为新生成裂纹面的表面能，应变能一部分转化为表面能，另一部分转化为崩落过程中的激振波，进而联合动能守恒和动量定理分析激振波转化为崩落岩块动能的过程，由此动能推导出崩落危岩块的启程速度方程式，并由冲量定理得到激振力方程式。为后续危岩基础研究做了一些基本解释。
　　(2)提出并论证了落石与地面碰撞破裂时裂纹从底部接触点向上扩展至顶端的假设，与实验现象相符。描述了落石开裂解体的详细过程，分析了落石碰撞开裂的能量守恒方程，求解并验证了落石破裂的临界速度和临界高度方程，建立了落石解体能量方程，可由动量及能量方程对破碎岩块进行后续分析。
　　(3)建立了坠落式危岩聚集体模型，将其裂纹未贯通部分抽象为有界棱柱岩体，进而得到激振波作用下的危岩振动模型。对危岩振动模型列波动方程，运用数学方法求解得到危岩体的质点振动方程，进一步的求得质点应力方程以及质点振动速度方程。按模型进行实体实验，用加速度传感器测得危岩体上两质点的振动数据，将模型物理力学参数代入本方程，运用matlab算得精确解，两组数据对比发现，误差为6.12％，验证了本方程的实用性，为危岩崩塌激振的后续定量研究提供依据。
　　(4)针对危岩群发性崩塌，建立复杂共生型危岩破坏激振效应实验模型，按设计模型进行小尺度室内实验，研究起崩危岩块在崩落过程中对危岩聚集体造成的激振效应，通过高精度摄像机获得主控结构面开裂与扩展的动态过程，通过动态信号采集系统获得危岩体的激振信号，对激振信号进行解析，得到破坏时激振波在复杂共生型危岩各个方向传播的衰减规律。
　　(5)对于复杂共生型危岩激振效应，由本实验得到的数据可以看出:
　　水平层内由临空面向危岩母体传播的激振波，波沿传播方向逐渐衰减;与本方向垂直的水平振动逐渐衰减;与本方向垂直的竖向振动逐渐衰减。
　　水平层内平行于临空面传播的激振波，沿波传播方向衰减，约束减弱振动加强，在二者耦合作用下，激振效应表现为加强;与本方向垂直的水平振动受衰减影响大，表现为激振效应减弱;与本方向垂直的竖直振动受衰减影响大，表现为激振效应剧烈衰减。
　　竖直方向传播的激振波，在危岩层层间分割与重力作用两者耦合下表现为激振效应先减弱后加强;与竖直方向垂直的水平振动逐渐衰减，在层间衰减与顶端约束减弱两者耦合作用下，表现为激振先减弱后加强，且变化均较为剧烈。
　　在自然状态下，由本实验数据推论，若类似于本实验模型，起崩危岩块与危岩聚集体尺度相当，激振现象遵循本实验结果，若起崩危岩块尺寸远小于危岩聚集体尺寸，本激振现象在一定范围内有效，在远离激振波源过程中，总体为减弱趋势。本成果为危岩崩塌防治工作提供科学依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 危岩体宏观描述及其静力演化机制

1．2．2 危岩动力特性及能量转化机制

1．2．3 危岩激振机制

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线图

第二章 危岩崩落启程速度

2．1 危岩体应变能分析

2．1．1 弯曲应变能

2．1．2 剪切应变能

2．1．3 危岩体应变能

2．2 裂纹面表面能

2．3 激振波能量

2．4 启程速度

2．5 激振力

2．6 本草小结

第三章 落石冲击破裂性能研究

3．1 落石自由坠落冲击破裂临界高度

3．2 落石坠落破裂能量分析

3．3 落石冲击破裂试验分析

3．4 本章小结

第四章 危岩聚集体振动方程

4．1 危岩破坏振动力学模型

4．2 方程求解

4．3 模型验证

4．4 模型

4．5 本章小结

第五章 复杂共生型危岩破坏激振效应实验

5．1 实验目的

5．2 实验模型设计

5．3．1 探索实验目的

5．3．2 探索实验材料

5．3．3 探索实验步骤

5．3．4 探索实验结论

5．4．1 实验材料

5．4．2 危岩层模具制作

5．4．3 危岩母体试件制作

5．4．4 基座与固定钢架制作

5．4．5 起吊钢架制作

5．4．6 模型组装

5．5．1 实验仪器

5．5．2 测点布置

5．5．3 实验过程

5．6．1 崩落过程

5．6．2 加速度时程曲线

5．7 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果