含水充填节理的动力特性及其对剪切波传播影响研究

The dynamic mechanical behavior of joint and its influence on the shear wave propagation is an important issue of concern for rock engineering response and security assessment. Due to the low strength and high deformation characteristics of filled materials, the filled joint is more detrimental for rock engineering. The project intends to study the dynamic mechanical behavior of filled joint and its influence on the shear wave propagation by means of laboratory tests, theoretical analysis, and numerical simulation. By conducting multiple shear wave propagation tests across aqueous filled joint through self-made equipment, the dynamic mechanical behavior of filled joint and its factors is to be studied, and the dynamic mechanical characteristics model considering the role of water weakening will be established firstly. Then, the influence mechanism of the mechanical properties of filled joint on the shear wave propagation will be revealed and the propagation equation through filled joint for shear wave is to be established. Finally, an intensive investigation for stress wave propagation in rock mass involving multiple sets of filled joint will be conducted by embedding the obtained mechanical constitutive model and propagation equation into UDEC. The research results can provide important theoretical basis and technical support for the safety evaluation of slope engineering and underground cavern under the dynamic action of seismic or blasting load.

节理的动态剪切特性及其对应力波传播规律的影响是岩体工程响应和安全性评价需要关注的重要问题。而充填节理，尤其是含水情况下，充填材料的低强度和高变形特性会对工程岩体的安全稳定性更加不利。针对含水充填节理的动态剪切特性及对应力波传播规律的影响，本申请项目通过室内试验、理论分析和数值仿真技术相结合的方法展开研究。首先，通过自制试验设备对含水充填节理进行剪切波传播试验研究，分析充填节理的动态剪切力学特性及其影响因素，建立考虑水的弱化作用的充填节理的动态力学模型。其次，对剪切波在充填节理处的传播规律展开分析，揭示充填节理的动力学特性对剪切波透反射机制的影响规律，建立剪切波在充填节理处的传播方程。最后，将充填节理的动态剪切力学模型嵌入数值软件，对应力波在含多组充填节理岩体中的传播进行模拟研究。研究成果可为地震荷载或者爆破荷载等动态作用下边坡工程及地下洞室的安全性评价提供重要的理论基础和技术支撑。

动态荷载作用下结构面的力学特性以及对应力波传播规律影响的研究是大型边坡和岩体洞室动力安全评价的核心问题之一。本项目通过室内试验、数值模拟和理论分析，结合白鹤滩、桃花嘴矿区等地下工程现场监测试验，对充填节理的动力学特性、应力波传播规律等问题开展研究。首先基于一维应力波传播理论，研制了剪切波传播装置，并通过应力波衰减和平面波校核实验，验证了装置的适用性。并且考虑充填厚度和法向压力的影响，揭示了不同充填材料的充填节理对应力波透反射系数的影响；其次通过室内模型试验，分析了柱面波在节理岩体中的传播规律。然后采用RMT-150C 电伺服试验机对充填节理进行直接剪切试验，揭示了法向压力、剪切速率和充填厚度对充填节理的剪切强度及摩擦角的影响，并建立了考虑剪切速率影响的平直充填节理的动态剪切力学模型。考虑岩石与充填材料的接触界面的影响，建立三单元模型（TEM），结合特征线法，建立了P-波在含充填软弱结构面处的传播模型，并通过离散元软件UDEC分别研究了S-波在含粗糙度的充填节理处及P波在一组平行充填节理岩体的传播规律，并提出了含小间距多条平行节理岩体的等效模型。然后考虑了地应力对节理本构模型的影响，分别采用HY变模型和BB分别描述节理的法向变形和剪切变形，建立了应力波在深部地下节理岩体的传播模型.同时基于Hoek-Brown模型，建立了应力波在深部弹塑性岩体中传播规律的离散元模拟方法。最后结合现场监测试验，揭示了地下洞室高边墙上质点爆破振动速度随高程变化规律，并考虑了地震波作用下边坡极限状态时锚索的受力变化的影响，提出了一种地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡的极限分析改进方法，建立了地震作用下边坡的稳定性评价方法。研究成果为地震荷载或爆破荷载作用下大型水电站地下厂房或边坡工程的安全性评价提供了新的理论依据和技术支持，其研究成果具有较广泛的应用前景。