岩体中两种尺度不连续结构面对应力波传播规律影响的研究

The investigation on stress wave propagation through rock mass is fundamental for failure analysis and safety assessment of rock structures under dynamic loading, such as earthquake, blasting etc. Natural rock mass usually contains various discontinuities with different scales, which have different influences on the stress wave propagation. How to propose a suitable model to analyze the mechanical behavior of rock mass under dynamic loading plays key roles in stress wave propagation analysis. Firstly, the present project introduces an equivalent viscoelastic medium model to analyze the effects of micro-cracks with different length, stiffness, quantity and crack distribution on the dynamic behavior of rock mass and on the stress wave propagation. Secondly, based on the modified displacement discontinuity model, the effects of macro-joints on the normally and obliquely incident stress wave propagation are investigated. Finally, a discontinous viscoelasticity model is proposed to study different stress wave propagation through rock mass containing double-scale discontinuities and to investigate the coupled effects of micro-cracks and macro-joints on the stress wave propagation.

应力波在岩体中传播规律的研究是进行地震、爆炸等动载荷作用下岩体结构的破坏机理和安全性分析的基础。岩体中通常含有不同尺度的不连续结构面,如微裂隙和节理等，它们对应力波传播有显著影响且作用机理不同。提出合理的岩体力学模型来分析动载荷作用下岩体的动态力学行为是研究应力波在岩体中传播规律的关键。本项目首先基于动态等效粘弹性连续介质模型，分析微裂隙长度、刚度、密度以及空间位置分布等与等效粘弹性模量之间的关系，进而研究微裂隙对应力波传播规律的影响。其次，基于改进的位移不连续模型，分析应力波在两侧为等效粘弹性介质的宏观节理处的透反射规律。在此基础上，建立动态不连续粘弹性模型，研究各种地震波和爆炸波在含两种尺度不连续结构面岩体中的传播规律，揭示微裂隙和节理同时存在的情况下对应力波传播的共同影响和相互作用。

近年来，随着经济的高速发展，我国在水利、水电、核电、公路和铁路等行业有一大批在建和拟建的重大工程。如何避免和减小爆破和地震等引起的动荷载作用下岩体基础损伤、岩体边坡和洞室失稳等破坏是工程建设亟需解决的关键难题之一。爆破和地震引起的荷载会在岩体内产生应力波，岩体中不连续结构面的存在将造成应力波特征的改变。岩体中的不连续结构面通常具有两种甚至多种尺度，且两种尺度不连续结构面对应力波作用机理不同。因此，研究应力波在含两种尺度不连续结构面岩体中的传播规律对解决各类工程问题有重大意义。. 首先，本项目基于动态等效理论，建立了动态等效粘弹性模型，研究了不同长度、刚度、密度及空间位置分布的微裂隙对应力波传播规律的影响。. 其次，基于纵波法向入射通过两侧为等效粘弹性连续介质的节理的透反射规律，提出了改进的位移不连续模型，研究了应力波沿任意角度斜入射通过两侧为等效粘弹性连续介质的节理的传播规律，包括纵波沿任意角度入射通过两侧为等效粘弹性连续介质的节理时，产生纵波和横波的透射、反射和折射规律；横波沿任意入射通过两侧为等效粘弹性连续介质的节理时，产生纵波和横波的透射、反射和折射规律等。. 最终，建立了动态-不连续-等效粘弹性模型，研究了应力波作用下，含两种尺度不连续结构面岩体的动态力学行为，以及两种尺度不连续结构面对应力波传播的共同影响和相互作用。进一步通过参数分析，研究了各种不同频率和振幅的应力波（地震波和爆炸波）在含两种尺度不连续结构面岩体中的传播规律。. 本项目建立了含两种尺度不连续结构面岩体的动态力学模型，揭示了微裂隙和节理同时存在的情况下对应力波传播规律的共同影响和相互作用机制，探讨了各种形式的应力波（地震波和爆炸波）在含两种尺度不连续结构面岩体中的传播规律。项目研究成果对岩体中应力波传播规律的研究具有理论意义，对岩体开挖、爆破等实际工程具有应用价值。在本项目资助下，培养硕士生2名，博士生2名，项目负责人以第一或通讯作者发表SCI论文4篇，以通讯作者发表中文期刊论文1篇。研究成果“含多尺度不连续面岩体中应力波传播机理”获浙江省岩土力学与工程学会自然科学奖一等奖1项（第一完成人）。