岩体结构面动态刚度系数的反演方法与应用

The stiffness of rock joints is one of critical parameters controlling the deformation of rock masses. While evaluating the stiffness of rock joints is a hot potato. According to different loading rate, the stiffness of joints can be divided to the dynamic stiffness or the static stiffness, and the difference of the magnitude of dynamic and static stiffness of a joint may research several times. The research about the dynamic stiffness of joints is few, and the correlational study on the relationship between dynamic and static stiffness of joints is much less. As we know, after the stress wave pass through a joint in rock masses, its amplitude will decrease and travel time will extend. The transmission and reflection coefficients of a wave passing through a joint are relative to the joint dynamic stiffness has been proved, which make it be possible for inverting the stiffness of joints. Based on theoretical analysis and formula derivation in those areas such Engineering Geology, Rock Mechanics and Geophysics, rock mechanical laboratory test, DEM numerical simulation, we will conduct following studies, i.e., (1) Retrieval method study on the dynamic stiffness of joints based on the laws of stress wave propagation; (2) Laboratory test of the dynamic and static stiffness of joints and correlational study; (3) In-situ test method study on the dynamic stiffness of rock joints and its field application. The research results will not only provide a new method for the stiffness of joints, but also provide scientific guidance in evaluation the joint dynamic or static stiffness.

结构面刚度系数是控制岩体力学行为的重要参数之一，相应的测定方法是地质工程、岩石力学等领域的难点。室内试验测定的结构面刚度系数，因加载速率不同而分为动态和静态刚度系数，相应的幅值相差可达数倍。迄今，关于结构面动态刚度系数的研究不多，涉及动态和静态刚度系数相关性的研究则更少。岩体中应力波通过一条结构面后振幅减小、到时延迟，应力波透射与反射系数、时延与结构面动态刚度系数有较好的关联性，为结构面动态刚度系数的测试提供了可能。本项目基于工程地质、地球物理等学科的理论分析，结合岩石力学实验、离散元精细数值模拟及对比分析方法，拟开展以下三个方面的研究：（1）基于应力波传播规律的结构面动态刚度系数反演方法；（2）岩体结构面动、静态刚度系数的测定与相关性论证；（3）结构面动态刚度系数的原位测定方法与现场应用。研究成果不仅为结构面动态刚度系数的测定提供新方法，还可为动态与静态刚度系数的取值提供新途径。

岩体结构面刚度系数控制岩体结构的变形行为，各种岩体工程（隧道工程、边坡工程、矿山工程、CO2封存、高放射性核废料储存等）稳定性分析与评价的重要参数之一，相应的测定方法是地质工程、岩石力学等领域的难点。建立结构面动态刚度系数测试的新方法，探索结构面动态与静态刚度系数的相关性是本项目的关键所在。针对上述科学问题开展研究，主要研究内容和成果如下：.（1）开展了结构面刚度系数与应力波时延之间的理论关系的研究。根据连续介质波动方程的基本解、位移不连续模型，求解了线弹性结构面的应力波透反射系数，基于应力波时延理论，建立了应力波通过结构面后相时延、群时延与结构面刚度系数的关系式，该关系式可用于结构面动态刚度系数的反演。.（2）研制了加载条件下实时高精度超声波测试系统，主要包括：自主研发的承压超声传感器、信号发生器、数据采集器以及自主开发的控制分析软件。该系统记录波形数据能力可超过1000次/秒，设定单次测试中重复采样次数能显著提高波形数据质量，进而提高测试结果的可靠性。.（3）开展了结构面动态-静态刚度系数相关关系的实验研究。以页岩、花岗片麻岩人工充填结构面为研究对象，开展结构面静态刚度系数测试，同时反演其动态刚度系数。测试结果表明：当结构面法向应力从1MPa变化到50MPa时，页岩与花岗片麻岩结构面的静态法向刚度系数分别介于80GPa/m到2700GPa/m之间和介于45GPa/m到1720GPa/m之间；其动态法向刚度系数分别介于330GPa/m至1960GPa/m和介于80GPa/m至2320GPa/m；其动态刚度系数与静态刚度系数之比值分别介于1.0至5.8之间和介于1.4至2.3之间。结构面动/静态刚度系数比值呈现随法向应力增大而逐渐趋于1的特征。.（4）开展了基于细观颗粒模型的结构面刚度系数反演数值模拟研究。在PFC2D中实现了应力波吸收边界条件的应用，开发了多段线性接触模型，通过静态压缩模拟试验与应力波透射系数的反演方法分别研究了结构面动态与静态刚度系数特征。数值模拟表明基于上述两种方法获得的结构面动态与静态刚度系数基本一致。