结构面间距对透射波的影响.pdf

第3 l 卷第4 期 2 0 “年0 8 月 矿冶 工 程 M I N 玎畸GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G 州E E R I N G V 0 1 ．3 1 №4 A u g u s t2 0 l I 结构面间距对透射波的影响① 胡世丽m ，罗嗣海1 。，王观石1 1 ．江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州3 4 1 0 0 0 ；2 ．中国地质大学 北京 工程技术学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要针对P y r a I c - N o l t e 等人在计算多结构面的总透射系数时存在的f h j 题．把非充填型结构面抽象为弹簧，用参数 ／ z ∞ 讨论结 构面刚度、频率和间距对应力波在多结构面问多次反射和透射的影响。研究结果表明波形相天系数和透射系数随结构面参数变 化具有相同的变化规律；结构面问距与波长之比存在一个临界值，当结构l f I 『阳J 盥 ‘J 波长之比大于该临界值时，多重反射和透射对应 力波传播过程影响很小，可以认为结构丽间距对总透射系数没有影响；临界值与肜 历 有父，肜 孙 增大，l } 缶界值减小。 关键词应力波；结构面间距；透射系数；相关系数；波彤 中图分类号T D 3 1 3文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 0 4 一0 0 0 5 一0 4 I n n u e n c eo fS t r u c t u r a lF a c eI n t e r v a lo nT r a n s m i s s i o nW a v e H US h i ．1 i 1 一．L U OS i ．h a i l ，W A N GG u a n s h i ’ 1 ．鼬o o Z 旷A 砌妇f Ⅱr o Zo 蒯5 “珊盯谵E 昭i 胱矗n g ，肋哕i ‰泌昭毋旷 诒n c e 口砌‰丘肋妇y ，G 。砌D “3 4 1 0 0 0 ， 胁，移i ，吼i 眦；2 ．S 如D Z 矿E 喏i 船e n g Ⅱ凡d 死c 矗加锄，傩i 眦‰i 钾耶渺矿G ∞s c 据嘲流 彬凡g ， 彬昭1 0 0 0 8 3 ， C i ，m A b s t 】m c t I nv i e wo ft h ee x i s “n gp m b l e mi nc a l c u l a t i n gt o t a lt 舢s m i s s i o nc o e m c i e n to fm u l t i s t r u c t u r a lf a c eb yP y r a k N o l t e ，i n n u e n c e so fs t m c t u r a lf a c es t i f ．f n e s s 。s t r e s sw a v ef k q u e n c ya n di n t e r v a lo nm u l t i p l er e f l e c t i o n sa n dt r a n s m i s s i o n s o fs t r e s sw a V ei nm u l l i s t m c t u r a lf 如ew e r es t u d i e dw “hd i m e n s i o m e s sq u a n t i t y 肜Z 幻，b ys i m p I 母i n gn o n - f i l l i n gs t m c t u r a I f 如ea ss p r i n g ．R e s u l t si n d i c a t e dt h a tw a v es h a p ec o n - e l a t i o nc o e f n c i e n ta n dt r a n s m i s s i o nc o e f F i c i e n tv a r i e d w i t h p a m m e t e r so fs t m c t u r a lf a c ef o l l o w i n gt h es a m e1 1 J l e ．T h e r ee x i s t e dac r i t i c a Jv a l u ef o rt h er a t i oo fs t r u c t u r a lf a c ei n t e n r a J 舳dw a v el e n g t h ．W h e nt h i sm t i ow 鹬h i g h e rt h a nt h ec d t i c a | V a l u e ， p r o p a g a t i o np r o c e s so fs t r e s sw a v ew 鹅l e 鹊t 甜f e c t e d ．I ti sc o n c l u d e dt h a ts t r u c t u r a lf a c ei n t e n r a lh a sn o t h i n gt od ow i t ht o t a lt r a n s m i s s i o nc o e f j F i c i e n ta n dt h ec r i t i c a L l v a l u ei sr e l a t e dw i t hK ／Z ∞．t h a ti sK ／Z 幻i n c r e a s e sa sc 而t i c a lv a l u ed e c r e a s e s ． K e yw o r d s s t r e s sw a v e ；s t l l J c t u r a lf a c ei n t e “a l ；t r a n s m i s s i o nc o e m c i e n t ；c o r r e l a t i o nc o e 硒c i e n t ；w a v es h a p e 准确有效的获得结构面的力学参数是研究岩体变 形和破坏的前提条件。利用应力波的传播特性测试结 构面的参数被认为是可行的。以J ，目前主要是用波速 来测试结构面参数。3 J ，该方法具有物理概念清晰、操 作简单等优点，但波速的计算依赖于起跳时问，当测点 间距较小时，受难以准确确定起跳时间的影响，往往给 波速计算带来一定的误差，影响结构面刚度的计算 精度。 工程中很难获得岩体内部结构面的力学参数，为 此，本文提出测试岩体内部结构面力学参数的方案进 行岩体内爆破产生震源，记录地表测点的振动波形，通 过地表露头确定结构画间距，进而确定震源至测点的 结构面数量，根据结构而的特性建立应力波在单一结 构面反射和透射的模型，通过分析应力波在多结构面 问透射特性计算结构面力学参数，但是该方案有一个 关键问题就是应力波在多结构面间传播时，如何考虑 多重反射和透射。 与单一结构面相比，多结构面对波传播的影响较 为复杂，原因是波在这些结构面间发生多莺反射与透 射，而对它们进行精确的叠加分析是很困难的，因此目 前主要采用等效介质法研究这一问题。“。P y r a k ． N o I t eL 5 。使用位移不连续模型研究了一个波垂直入射 多个平行日．刚度相同的结构面的问题。结果表明，在 结构面分布较密集时，多重反射和透射的影响非常显 ①收稿日期2 0 1 l 也- 2 0 基金项目国家自然科学基金项日 5 0 8 6 9 0 0 2 ；江l H i 省自然科学基金资助项目 2 0 1 0 c Q c 0 0 6 7 ；江西省教育厅资助项目 c J J l l l 3 0 作者简介胡蚍丽 1 9 7 6 一 ，女，山西太谷人，博f 研究生．主要研究办向为岩土体动力学。 万方数据 6 矿冶工程 第3 l 卷 著。c a i 等怕1 在考虑多重反射的前提下，将位移不连 续模型与特征值方法结合起来，研究了应力波垂直入 射多个平行结构面时的衰减问题，结果表明当结构面 间距较小时，多重反射和透射作用非常突出。 考虑应力波在结构面间的多重反射和透射是一个 非常复杂的闷题，即使是应力波垂直入射一组平行结 构面，也很难给出完整的解析解。为此，本文采用 C D E M 模拟应力波在多结构面结构面的传播过程。该 程序有效地模拟了岩体中爆炸波的传播过程和接触面 积对结构面传播特性的影响一“J 。 1 两个结构面时多重反射和透射对应 力波传播的影响 1 ．1 离散元计算模型 考虑长为6 0m 的岩石柱体，其横截面尺寸为lm lm ，网格划分是2 2 1 2 0 ，在岩石柱中设置两个 结构面，如图l 所示 图中省略了部分垂直x 轴的网格 线 。结构面2 的位置是固定的，在髫 3 0m 处；改变 结构面l 的位置，从而达到改变结构面间距的要求。 结构面处的结点用弹簧连接，岩石柱两端为无反射边 界。在y 0 的截面形心加一正弦载荷，如图2 所示。 田 I Z lIlIlI IllIllX ＼禽面。I除面I Z 2 0 ．2 5 时。二次及以上的透射波对总透射波形的峰值没有影 响，结构面间距小影响总透射系数，即疋 L2 ，因此一 组平行结构面的透射系数的计算就町表示为 一 L “ 2 式中t 为应力波传过n 个结构面时的总透射系数；L 为应力波穿过1 个结构面时的透射系数。 2 多结构面时多重反射和透射对应力 波传播的影响 2 ．1 透射系数变化规律 用前面的计算模型，在岩石柱体中增加结构面，改 变结构面刚度和问距计算了多结构面的透射系数。图 6 是∥ 洳 1 ．2 8 时，数值计算与式 2 计算得到的 透射系数的关系。从图中可以看出数值计算得到的 舳砷帅加。加舶和踟。 舳砷钟加。加钟砷舯n 万方数据 矿冶工程第3 l 卷 透射系数瓦比瓦4 稍大，f 越大，L 越近似r 。8 ，当f 0 ．1 2 5 时，用式 2 计算得到的透射系数与数值计算得 到的透射系数相差很大，随结构面数量增加，两者的差 值也增大；当f 0 ．2 5 时，用式 2 计算得到的透射系 数与数值计算得到的透射系数比较接近，随结构面数 量增加，两者的差值不变。图7 是f O ．2 5 时数值计 算与式 2 计算得到的透射系数的关系。从图中可以 看出肜 如 越大，应力波在一组平行结构面的透射 系数咒越近似L8 。 结构面数量 图6 变间距时结构面数量与透射系数的关系 图7 变刚度时结构面数量与透射系数的关系 与一个结构面相比，多结构面的透射系数受二次 及二次以后的透射波叠加的影响，使透射波场变得更 复杂，如果结构面间距增大，一次透射波和二次透射波 的相位差增大，减小了二次及二次以后的透射波对总 透射波的第一峰值的影响，因而多重反射和透射对计 算透射系数的影响减小，其结果表现为图6 ；如果结构 面刚度增大，一次透射波幅值增大，二次及二次以后的 透射波幅值减小，多次透反射的影响减小，其结果表现 为图7 。根据图6 和图7 可以认为，当肜 如 1 和 f O ．2 5 时，式 2 是有效的。 2 ．2 透射系数与相关系数的关系 为了进一步讨论应力波传过多结构面后波形的变 化，并与透射系数的变化规律进行比较，现定义一个波 形相关系数。试验采集得到的震动波形是一个随时间 变化的离散数列，若戈；为参考数列 波形 ，数列 ，； 目 标波形 与数列茗。的相关系数计算公式为 y i 兰塑警㈤y ■亍 - i LjJ √∑ 算；一习2 √∑ 咒一刃2 式中孑和歹分别为龙i 和儿的平均值；7 为相关系数，为 无量纲量，反映两列波形的相似程度，当两列波形越相 似时，y 越大，如果两列波形完全相同时，y 1 。 现讨论相关系数和透射系数随结构面数量、刚度 和间距的变化规律。图8 为肜 Z ∞ 1 ．2 8 时间距对 透射系数和相关系数的影响。从图8 可以看出当结 构面间距满足∥A 0 ．2 5 时，结构面数量增加，相关 系数和透射系数的变化趋势基本上一致，在数值上，两 者的差值也不大，都可以近似为线性变化；当结构面间 距较小 如∥A 0 ．3 7 5 时，透射系数 比相关系数变化慢。图9 反映了f 0 ．2 5 时结构面刚 度变化时，透射系数和波形相关系数随结构面数量的 变化关系，两者的变化趋势基本上一致的，结构面刚度 改变，透射系数比相关系数变化快。 籁 懈 水 罂 ＼ 籍 懈 接 烟 结构面数量 图8 变间距时透射系数和相关系数与结构面数量的关系 籁 懈 摇 魍 ＼ 籁 惭 耳K 罂 结构面数鼍 图9 变刚度时透射系数和相关系数与结构面数量的关系 3 结语 把非充填型结构面抽象为弹簧，用C D E M 程序模 下转第1 3 页 万方数据 第4 期 李娜等中深孔爆破动载荷下块石充填体强度响应研究 1 3 降低为0 ．5 6 7M P a ，均能基本满足充填体强度要求。 4 结论 结合云锡集团卡房分矿20 0 0t 试验采场工程实 际，针对拟采用的“采矿环境再造连续采矿嗣后充填采 矿法”构筑的人工矿柱充填体在连续微差爆破动力载荷 下安全稳定性进行了深入研究和探讨，得到如下结论 1 预裂缝对爆破载荷作用具有明显的减弱效果， 且减弱效果随着预裂缝的长度增加而递增。在本文岩 体和爆破参数下，当预裂缝长度为爆破落矿宽度2 倍 时，振动峰值降低8 3 ．0 7 ％，最大拉应力降低9 1 ．1 4 ％， 能够满足充填体强度要求。 2 在预裂缝存在的情况下，振动主频降低，衰减周 期增长，需要更大的微差时间对振动主相进行分离。但 是随着微差时间进一步地增加，降振效果趋缓，本文通 过论证选用边帮近端微差时间3 5n l s 以满足工程需求。 3 通过试验确定废石注浆充填体力学参数的基 础上，引入爆破动力载荷分析，从中深孔爆破影响方面 论证了构筑人工矿柱在采矿环境再造中的叮行性。 参考文献 [ 1 ] 王玉杰，梁开水．爆破工程[ M ] ．武汉理工大学出版社，2 0 0 7 [ 2 ] 顾毅成．史雅语，金骥良．工程爆破安全[ M ] ．中国科技大学出 版社．2 0 0 9 ． [ 3 ] 楼晓明，郑俊杰．马建军，等．隧道微差爆破振动速度及应力场 研究[ J ] ．地下夺间与工程学报，2 0 0 8 ，4 2 2 4 8 2 5 2 ． [ 4 ]张连新．井下爆破降振措施的应用[ J ] ．有色金属。2 0 0 7 。5 9 4 4 9 5 0 ． [ 5 ]张袁娟．缓冲爆破参数优化及其应用研究[ D ] ．武汉武汉理工 大学资源与环境工程学院，2 0 0 9 ． [ 6 ]史秀志，陈寿如．爆破振动信号时频特征的微差时间效应[ J ] ． 湖南科技大学学报 自然科学版 ，2 0 0 8 ．2 3 3 l O 1 3 ． [ 7 ]郭学彬，张继春，刘泉，等．微差爆破的波形叠加作用分析 [ J ] ．爆破，2 0 0 6 ，2 3 2 4 8 ． [ 8 ] 凌同华，李夕兵．多段微差爆破振动信号频带能鲢分布特征的小 波包分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 7 1 1 1 7 一1 1 2 2 ． [ 9 ]闫长斌．爆破作用下岩体累积损伤效应及其稳定性研究[ D ] ．长 沙中南大学资源与安全T 程学院。2 0 0 6 ． [ I O ]李一帆．张建明，邓飞，等．深部采窄区尾砂胶结充填体强度 特性试验研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 5 ，2 6 6 8 6 5 8 6 8 ． [ 1 1 ] 邓代强．安庆铜矿特大型采场充填体力学性能、损伤及稳定性 研究[ D ] ．长沙长沙矿山研究院采矿J 二程技术研究中心，2 0 0 5 ． [ 1 2 ] 夏祥．爆破载荷作用下岩体损伤特征及安全阈值研究[ D ] ． 武汉中国科学院武汉岩土力学研究所。2 0 0 6 ． [ 1 3 ] 宋锦泉．乳化炸药爆轰特性研究[ D ] ．北京北京科技大学土木 与环境J 程学院，2 0 0 0 ． [ 1 4 ]谢冰．地下厂房开挖爆破振动对周边群洞影响的数值模拟分 析[ D ] ．武汉武汉理工大学资源与环境工程学院，2 0 0 7 ． 上接第8 页 拟了应力波在多结构面间的传播过程，讨论了结构面 刚度、频率和间距对透射波形和透射系数的影响，研究 结论概括如下 1 结构面间距、刚度和频率发生变化时，波形相 关系数和透射系数的变化规律是一致的，两者在数值 上也很接近，随结构面刚度增加，两者的差值减小，因 此可以认为相关系数的变化能有效反映透射系数的 变化。 2 结构面间距对透射波波形有很大的影响，结构 面间距和波长之比f 存在一个临界值如，当f f 。时，结构面间距增大，多结构面的总透 射系数为一常数；临界值的大小与肜 z 山 值有关， 肜 如 值增大，临界值减小。 3 应力波在岩体的传播过程中，应力波在结构面 间的多重反射和透射是一个必然现象，使得多结构面 时的透射系数计算变得很复杂，但是当结构面问距满 足一定条件时，可以不考虑应力波的多重反射和透射， 只考虑一次透射作用，数值计算结果表明，当∥ 如 1 时，临界值f 。 0 ．2 5 ，即多结构面的透射系数为 L 兀“。 参考文献 [ 1 ] 李建军，段祝平．岩体中的节理裂隙对爆破影响的试验研究[ J ] ． 矿冶上程．2 0 0 5 ，2 5 5 l 一3 ． [ 2 ]王观石．李长洪．应力波峰值变化与岩体结构关系的试验研究 [ J ] ．矿冶1 程，2 0 0 9 ，2 9 6 2 5 2 8 ． [ 3 ] 李宁，韩煽，陈蕴牛，等．岩体节理刚度系数的现场声波测试 [ J ] ．应用力学学报，1 9 9 8 。1 5 3 1 1 9 一1 2 3 ． [ 4 ]房学谦．胡超。黄文虎．非均匀复合材料板巾剪切波传播的研 究[ J ] ．- I 程力学，2 0 0 8 ，2 5 2 6 6 7 0 ． [ 5 ] P y T a k N o l t eLJ ，M ”rLR ，c o o kN Gw ．A n i 鲫t r o p yi nS e i s m i c 卅 1 0 c i t j e 8 ∞d Ⅲp J j t u d e sf m mm u I l i p l ep a m l l e l 触c t u r e s [ J ] ．J 伽m a lo f G e o p h y s i c a JR e s e a c h ．1 9 9 0 ．9 5 1 I 3 4 5 3 5 8 ． [ 6 ] C a iJC ，z h ∞J ．E ％c t so fm u l t i p l eP a m l l e lf r _ a c t u 啪o ∞p p a r e n t 址 t e n u a t i o n0 fs t 托鹪w a v e 8i nr o c km 鹊∞s [ J ] ．I n t e m a t j o n a lJ o u m a lo f R 0 c kM e c h ∞i c s 锄dM i n i n gs c i e n c e s ，2 0 0 0 ，3 7 6 6 l 一6 8 2 ． [ 7 ]王观石，李长洪。陈保君，等．应力波在非线性结构面介质中的传 播规律[ J ] ．岩土力学．2 0 0 9 ，3 0 1 2 3 7 4 7 3 7 5 2 ． [ 8 】田振农，李世海．鼍维离散元不同尺度结构面计算方法及其在岩 土爆破中的应用[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 7 ，2 6 s 1 3 0 0 9 3 0 1 6 ． 万方数据