具有轴向静载荷红砂岩应力波频谱及频带能量特征研究

摘要

工程岩体遭受机械钻凿、爆破等动载作用时，已经具有构造应力和自重应力等静载荷。因此研究爆破开挖以及地震致灾问题时，实际工程岩体的力学问题可以归纳为具有一定静应力下的应力波传播。本文利用赣州红砂岩制备成横截面为矩形的长试件，基于动静组合加载实验装置，进行具有轴向静应力的应力波传播试验，从频谱和能量的角度探究静载荷对应力波传播的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴无论在加载还是卸载工况下，轴压一定时，随着频率的增加，各测点的频谱曲线均呈现“先增加再减小，最后趋近于零”的趋势；由于高频衰减快，低频衰减慢，在高低频衰减速度差异的影响下，随传播距离增大，应力波主频整体呈衰减趋势；红砂岩内部裂隙分布状态复杂，在轴压作用下，旧裂隙的闭合与新裂隙的生成先后或同时进行，导致两种工况下主频随轴压的变化规律有差异，随着轴压的增大，加载时的主频整体先增加后趋于稳定，卸载时的主频整体先增加再趋于稳定后降低。⑵在加卸载两种不同工况下，应力波信号总能量随传播距离的衰减均呈较好的线性关系，其中卸载时的线性拟合相关性总体高于加载时的拟合相关性。由于静载荷的增大加之多次冲击的影响，导致砂岩内部结构断裂或闭合的机率增加，初始能量被释放或吸收，与应力波携带的能量叠加后，引起突变，导致加载时的离散性较卸载时大。⑶静载荷增大使弹性杆中的入射波减小，同时砂岩的波阻抗增大，且不同应力路径不同阶段两者对总能量的影响强弱不同，导致加载工况下，总能量随轴压增大总体先减小后趋于稳定，卸载工况下，总能量随轴压增大则先增大再减小最后趋于稳定。⑷加卸载工况下，随轴压的增大，总能量的衰减率与总能量-距离的拟合直线的斜率变化规律相似，即均呈现先快速减小后趋于稳定的趋势。在轴压作用下，旧裂隙快速闭合，总能量衰减快速变慢，即衰减率迅速降低、斜率迅速减小；轴压较大时，旧裂隙闭合的同时产生新裂隙，总能量的衰减整体变化不大，即衰减率和拟合斜率趋于稳定。⑸岩石由于裂隙的发育，破碎程度增加，波速降低，高频成分被大量吸收，频谱改变，波形拉宽，结果以低频成分为主。而砂岩原生裂隙多，导致加卸载工况下，频带0~36.62KHz的能量占总能量的比例均很高，其他频带能量百分比均很低。加之高频衰减快，低频衰减慢，随着频率的增大，频带能量所占的百分比整体均越来越低。裂隙闭合时，高频成分衰减量减小，百分比升高，低频成分百分比则降低；裂隙张开时，高频成分衰减量增大，百分比降低，低频成分百分比则升高。而裂隙的闭合张开受轴压控制，以致于在两种工况下虽然百分比的变化波动较大，但频带0~36.62KHz的能量百分比总体均随轴压增大而降低，其他频带能量百分比总体均随轴压的增大而升高。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容及技术路线

第二章 室内试验

2.1试验装置

2.2 试件制备与轴压的设置

2.3 试验方法

2.4 试验结果

2.5 试验数据选择

第三章 加卸载工况下红砂岩中应力波频谱特征

3.1 引言

3.2 频谱分析方法

3.3 加载工况下红砂岩中应力波频谱特征

3.4 卸载工况下红砂岩中应力波频谱特征

3.5 本章小结

第四章 加载工况下红砂岩中应力波频带能量特征

4.1 引言

4.2 频带能量分析方法

4.3 应力波各频带能量分布特征

4.4 应力波频带总能量的变化规律

4.5 本章小结

第五章 卸载工况下红砂岩中应力波频带能量特征

5.1 应力波频带能量分布特征

5.2 应力波频带总能量的变化规律

5.3 本章小结

第六章 主要结论与展望

6.1 主要结论

6.2 进一步研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果