岩体节理表面形貌对应力波能量耗散影响研究

Understanding stress waves can be extremely beneficial to improve safety for underground mining as well as to mitigate earthquake risks. Recent studies found that (1)Joint surface configuration can be described by gray-scale image dimension and common dimension.This, however, leads to model idealization of "color surface" and bottlenecks of laser pofilimeter scanning scope.(2)Joint stiffness can be described by the empirical parameter JRC. This, however, leads to empiricism in the theoretical conclusions of stress wave.Consequently,The project expects to present calcaulation method of true-color image dimension. Based on the method and fractal damage thesis, fractal joint stiffness model considering effect of joint surface profile, described by image dimension, is proposed. Energy dissipation ratio of stress wave, defined as ratio between energy dissipation of stress wave and incident wave energy, is derived. SHPB test of jointed rocks can be employed to establish quantitative relationships between profile parameters (image dimension) and energy dissipation ratio of stress wave and to validate the theoretical solution. Subsequently, the physical mechanism of the experimental principle is analysed. In the project, issues with the traditional method, shortcoming of JRC empiricism in existent theoretical achievement, and bottleneck of scanning scope of apparatus when computing the "general dimension" are improved. Expected result can provide important improvements to the energy dissipation theories of stress wave across jointed rock mass.

应力波在地下资源开采中引发的安全问题与减小地震带来的灾难为本项目提供了前所未有的机遇和挑战。经查阅近期研究成果发现，传统研究中，引入灰度图像维数、"常规维数"描述节理面几何形貌导致"颜色表面"模型理想化问题、激光表面仪扫描视野瓶颈问题，引入经验参数JRC描述节理刚度导致应力波理论研究中存在经验主义问题。鉴于此，本项目拟定提出真彩图像维数计算方法描述表面形貌；基于该计算方法与分形损伤假定，建立考虑节理面形貌影响（以图像维数描述）的分形节理刚度模型，导出应力波能耗比(能耗比指应力波能耗与入射波能量间的比值)的解析解，采用节理岩石的SHPB试验，建立节理面形貌参数(图像维数)与应力波能耗比的定量关系，验证解析解的正确性，并剖析其试验规律的物理机制。相对传统研究，本项目克服了已有理论成果中的经验主义不足与计算"普通维数"时仪器扫描视野的瓶颈问题，预期研究成果有望进一步完善节理岩体中应力波能耗理论。

深入理解爆炸衰减而成的应力波穿越节理岩体时与其发生复杂的相互作用过程及其机理对保证和维护地下结构安全有着重要意义。项目通过理论分析、试验探索和数值计算等研究手段，就节理岩体表面形貌描述、及考虑节理表面形貌时应力波的传播和能耗影响规律开展了大量研究工作。取得了一些有意义的研究成果。主要研究结论包括：（1）基于图像图形学的YUV颜色模型理论，本文提出了一种间接描述岩石断面形貌的新方法。选定一个有m个像素点的彩色数码照片，以每个像素点的Y(灰度)、U、V(色彩和色饱和度)分量分别构造欧式空间中对应点的z、x，y坐标分量，在每个像素点处均采用上述构建方法，可在欧式空间中确定m个点(与像素个数相同)，连接构造的m个点，即可构建粗糙的YUV表面。采用分形布朗运动理论，导出了n-1~n维分形体的自仿射维数计算方法，并特例化至2~3维，求解YUV表面的自仿射维数。（2）通过含两条粗糙平行节理岩石的SHPB试验，探讨了两条节理面形貌（以YUV维数描述）对应力波能耗的影响规律。研究结果表面表明：当两条节理YUV维数或节理YUV维数之和增大时，节理能耗值随之增加。出现上述现象的机理是：当节理面YUV维数增大时，岩石节理刚度相应减小，导致应力波穿越节理的能力降低，造成应力波能量耗散值增大。（3）采用含两条节理岩石超声波试验，探讨了节理岩石的两条节理YUV维数对超声波波速的影响规律，研究结果表明，超声波波速平均值随着任一节理YUV维数、两条节理维数之和减小而增大。在维数减小过程中，尽管波速持续增加，但波速增大速率逐渐降低，当维数减小至某个量值时，波速不再增大，直至近似趋于一常量。（4）为探讨应力波穿越干燥、饱水孔隙砂岩时孔隙度对能耗的影响规律，文中开展了孔隙砂岩的SHPB试验，并采用核磁共振分析了SHPB试验前后孔隙的变化特征。研究表明：相同孔隙度时，饱水砂岩比干燥砂岩能耗小；随着孔隙度增加，前者能耗相应减小，后者能耗反而增加。这一现象可分别得到解释。（a）由断裂力学理论可知，水的表面张力和Stefan效应使裂纹扩展受到很大阻力，因而，相对干燥砂岩，相同孔隙度的饱水砂岩更难产生新表面耗散应力波能量。(b)随着孔隙度增大，干燥砂岩的动态强度相应降低，加载时更易出现新裂纹以表面能形式耗散应力波能量，因而孔隙度越大则能耗越大。