应力波在宏观节理岩体中的传播特性及其应用

摘要

节理弹性参数的测试是岩石力学学科的热点也是难点问题。节理对应力波在岩体中的传播具有很大影响，不同类型的节理，影响也不同。本文通过理论分析、数值计算和现场试验，研究了线性节理、成组平行岩层和非线性节理对应力波传播的影响，提出了节理弹性参数的测试方法，并论证了方法的合理性，研究的主要结论整理如下：
　　（1）随着频率的增加，振幅透射系数减小，说明线性节理具有低通滤波特性，节理法向刚度越小，节理的低通滤波特性越明显。用位移不连续模型描述节理的变形特性时，均不能很好的得到应力波通过节理的反射波波形，但对于入射波峰值频率较小、厚度较小的节理，能较为精确地计算出应力波通过节理的透射波波形。
　　（2）P波垂直通过成组平行岩层时，当界面均为线性节理时，对于各岩层岩性相同的情况，岩层为“低通”+“多带通”的混合滤波形式，对于岩层的波速呈等差数列递减的情况，岩层为“低通”的滤波形式。当界面均为线性节理、各岩层厚度相同时，通过岩层的透射系数随岩层厚度的增加呈周期性变化，且变化周期不随岩层数量的增加而改变。
　　（3）单一频率的入射波垂直通过非线性节理时，透射波为一个多频波，透射波可以看成是基本谐波和倍频谐波的相干波。透射波的谐波振幅与谐波阶数呈负指数关系，透射波的谐波相位与谐波阶数呈线性关系，入射波初始相位不影响透射波中各阶谐波的振幅。
　　（4）数值计算结果表明，不同入射波峰值频率、不同节理的波速，利用所提出的节理弹性参数测试方法的误差均在2.00％以下，说明本章的测试方法能精确地测试出节理的弹性参数。对现场厚度为0.04 m的节理进行了6次试验，6次试验的结果相近，说明本章的测试方法具有很好的稳定性，得到现场节理的弹性模量和泊松比分别为6.03 GPa和0.19。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2研究进展

1.3 本文的研究内容

1.4 本文技术路线

第二章 单一线性节理的分析模型

2.1 单一频率的入射波通过线性节理的透射、反射系数

2.2 单一频率的入射波垂直入射时透射、反射系数的变化规律

2.3 位移不连续模型存在的问题

2.4 本章小结

第三章 入射P波垂直通过成组平行岩层的分析模型

3.1 单一岩层分析模型的建立

3.2 成组平行岩层分析模型的建立

3.3 岩层分析模型的验证

3.4 本章小结

第四章 弹性P波垂直通过非线性节理的傅里叶级数分析法

4.1 弹性P波垂直入射时透射、反射波速度波形的傅里叶级数解

4.2 非线性节理傅里叶级数分析法的验证

4.3 透射波各阶谐波的振幅和相位随阶数的变化规律

4.5 本章小结

第五章 宏观节理弹性参数的测试

5.1 应力波垂直入射时节理弹性模量和泊松比的测试方法

5.2测试方法的验证

5.3节理弹性参数测试方法的应用

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果

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