梯度应力对红砂岩应力波传播特性的影响研究

地下工程岩体开挖卸载后,围岩体承受的地应力随空间位置呈梯度形式变化。梯度地应力导致岩石的波阻抗呈梯度形式变化,进而影响应力波传播衰减特性。为研究梯度地应力对岩石应力波传播特性的影响,利用自主研发的具有梯度静应力岩石应力波传播试验系统,对红砂岩长试件进行了9种应力梯度工况下的应力波传播试验。通过分析岩石应力波传播速度、波阻抗随应力梯度的变化规律,构建应力波幅值与传播距离、传播时间和应力梯度之间的经验模型,探索梯度应力影响红砂岩应力波传播衰减的机制。结果表明,相同应力梯度工况下,随传播距离增加,应力波形状变化较小,但幅值逐渐减小。随应力梯度增大,岩石各测点区段内应力波传播速度、波阻抗均增大,但增大速率逐渐减缓,相邻测点区段波阻抗差值比先快速增大,后缓慢减小。随传播距离和传播时间增加,应力波幅值均呈指数形式减小;随应力梯度增大,时空衰减系数均呈先快速增大,后缓慢减小趋势变化。随应力梯度增大,相同测点应力波幅值先快速减小,后缓慢变化,在低应力梯度阶段,距离自由端越远的测点幅值衰减速率越快。

冲击荷载对具有轴向静应力红砂岩应力波传播速度的影响特性

岩体工程爆破开挖时,距爆源不同距离处的围岩体承受不同大小的冲击荷载和地应力。为研究冲击荷载和地应力对岩石应力波传播速度的影响,利用改进SHPB试验装置对红砂岩进行应力波传播试验,设置7个等级的轴向静应力和冲击速度,分别模拟工程中的地应力和冲击荷载大小。基于试验得到入射波和透射波起跳点的时间差,计算岩石的应力波传播速度,得到静应力和冲击速度对应力波传播速度的影响规律。构建岩石应力波传播速度与冲击速度的关系经验模型,探索拟合参数随轴向静应力的变化规律。通过测量冲击试验后岩石的声波波速,得到受载后岩石声波波速随冲击速度的变化规律,探究动载荷对岩石应力波传播速度的影响机理。研究结果表明,具有轴向静应力岩石的应力波传播速度随冲击速度的增加先增大后减小,二者呈高斯函数的变化关系。轴向静应力显著影响应力波传播速度与冲击速度的变化关系,各个拟合参数随着轴向静应力的增大呈现不同的变化趋势。在不同的轴向静应力工况下,受载后岩石的声波波速随着冲击速度的增大呈现“平缓减小—急剧减小”的变化趋势。研究结果有助于分析深部工程岩体爆破开挖应力波的传播规律以及邻近结构的稳定性分析。

动载作用下全锚锚固体应力波传播及破坏特征

深井巷道受动载扰动变形严重,明晰动载作用下锚固支护体的应力波传播及破坏特征具有重要意义。基于霍普金森杆(SHPB)试验系统,研究了不同冲击气压下锚固体试件的应力波传播规律,基于一维应力波理论计算了锚固体的层裂强度;利用ABAQUS数值模拟软件还原了动载冲击试验,再现了锚固体试件的应力波传播全过程,分析了锚固体轴向不同位置处的应变–时序特征。研究结果表明:①随冲击气压增大,应力波衰减速度越快,空间响应幅值及衰减系数逐渐增大,锚固体试件层裂强度与冲击气压呈正相关关系,0.6 MPa冲击气压下的层裂强度相较于0.4 MPa冲击气压下增加了41%,呈现出明显的应变强化效应;②锚固尾部及中部锚固剂的应力波峰值应变略大于围岩峰值应变,而锚固端部由于净拉应力作用导致围岩峰值应变骤增;③锚杆、锚固剂及围岩3者动力响应具有时序性,锚固围岩与锚固剂率先受到压缩应力波作用,锚杆产生滞后于锚固剂与围岩的拉伸应力波,阻止锚固体试件发生协同破坏;④锚固尾部锚杆、锚固剂及围岩应变起跳时间间隔为0,随着应力波向锚固中部及端部传递,3者应变起跳间隔时间逐渐增加,锚杆峰值应变随之增加,锚固端部锚杆破坏最严重,随冲击气压的增大,3者不协同作用逐渐加剧,锚固体试件加速劣化。

围压对红砂岩应力波传播特性的影响

围压可以改变岩石内部微观结构,导致波阻抗发生变化,进而影响应力波在岩石中的透反射能力。为探索围压对岩石应力波传播特性的影响,通过一维应力波理论推导,得到了岩石应力波透射系数和反射系数随波阻抗值的变化关系。用红砂岩制备短试件和长试件,基于动静组合加载实验系统进行不同围压下的应力波传播试验,分析岩石的纵波波速、波阻抗、反射系数和透射系数与围压的关系。根据岩石波阻抗与围压的经验模型,结合理论分析所得的透射系数与波阻抗的关系,得到不同围压下透射系数的理论值,并与相应的试验值进行对比,证明理论分析结果的正确性。综合分析了岩石的纵波波速、波阻抗、透射系数和反射系数与围压的关系,得到围压对红砂岩应力波传播衰减特性的影响规律。结果表明,岩石短试件和长试件的纵波波速及波阻抗与围压之间均具有正向相关性。随着围压的增加,短试件反射系数的绝对值逐渐减小,透射系数逐渐增大,长试件的透射系数逐渐减小,透射系数和反射系数均与围压呈二次函数关系。纵波波速、波阻抗、透射系数及反射系数与围压的关系都表明,增大围压有利于应力波穿过岩石,减小其幅值的衰减。

应力波传播模型及其在木材检测中的应用

木材无损检测技术是充分有效利用木材资源的重要手段之一。依据各向同性和各向异性材料中的机械波传播理论,研究了应力波在木材中的传播过程。分析了直角坐标系下的应力波传播方程,研究了木材中应力波传播的弹性常数之间的关系。在圆柱极坐标下研究了传播模型,对模型的参数进行了分析,用幂级数的形式给出模型的部分解,分析了木材中横向传播速度。最后对两类木材中的应力波传播进行了计算。

原木横截面应力波传播时间等值线绘制及影响因素分析

以大青杨原木为试验材料,在原木样本横截面布置离散网格式测点,采用应力波方法,测试横截面内应力波传播时间(SWT),采用Matlab模拟SWT等值线,分析温度和空洞缺陷对SWT等值线的影响。结果表明:应力波在完好原木横截面以圆弧形曲线传播,沿径向传播最快,而沿弦向传播则较慢;空洞和温度对SWT等值线均有显著影响;低温原木中应力波传播更快;与完好样本相比,含空洞原木SWT等值线形状有较大差异;空洞改变了应力波传播路径,促使SWT增加;传播到空洞后面区域的SWT数值与空洞直径正相关,在木材径向这一趋势更显著。

大型结构面产状影响下应力波传播规律研究

首先验证基于离散元法的数值软件UDEC模拟应力波在岩体中传播的可行性。然后,运用离散元数值模拟技术,对应力波穿越不同产状大型结构面的传播特征进行探讨,并以龙门山地区的3条主要断裂对汶川地震应力波传播规律影响为实例加以说明,确认断裂隔震效应以及断裂上盘效应。研究结果表明:(1)应力波在结构面两侧造成的地表动力响应存在异常,靠近震源一侧的地表响应强烈;(2)结构面倾角对应力波的反射作用表现出随结构面倾角增大先增大后减小的趋势,随着结构面数量的增加,透过结构面的应力波产生的扰动越弱;(3)汶川地震中汶川—茂县断裂和灌县—安县断裂对汶川地震地震波具有明显的阻隔作用,使汶川—茂县断裂上盘靠近断裂的地表垂向加速度峰值比不存在断裂时降低38%,灌县—安县断裂下盘靠近断裂的地表加速度峰值则降低47%;(4)断裂对地震波的反射使得映秀—北川断裂上、下盘地表动力响应异常增强,与不存在断裂情况时相比,该断裂上、下盘两侧岩体的垂向加速度峰值分别升高了41%和32%。本研究结果反映断裂的隔震效应与上盘效应。

多层介质对应力波传播特性影响分析

通过在气炮上进行多层介质的低速冲击实验及相应的数值计算,分析了不同组成的多层介质对应力波传播特性的影响。结果表明:多层介质中的泡沫材料不仅能够改变应力波的幅值与作用时间,而且具有显著的吸能效果,引起应力波在传播过程中在各层介质中能量与动量分配的改变。通过对泡沫铝和泡沫混凝土两种软材料在多层介质中作用的比较表明,在低速冲击的实验条件下,含泡沫混凝土的多层介质具有较好的削波作用,含泡沫铝的多层介质具有较好的吸能性能。

初始应力对应力波传播及块体运动规律影响研究

借助理论模型和试验测试结果分析初始应力对岩石弹性波速的影响,运用数值模拟手段对比研究爆炸扰动作用下不同初始应力时的应力波形状,包括质点应力、位移和速度,得到初始应力对应力波传播影响的一般规律。建立构造块体在爆炸扰动下的运动模型,通过对模型的计算和分析,研究不同初始应力下单个块体的相对位移。研究结果表明:(1)在低初始应力下,岩石中的弹性波速随压力增大而迅速增大,增大的梯度在低应力下较高,在高应力下趋于一常数值;(2)当初始应力增大时,相同距离处的峰值径向应力和峰值位移会降低,而且衰减较快,波形变窄;(3)块体间的相对位移与初始应力的大小成反比。

直杆中应力波传播引起的分叉问题

讨论轴向矩形脉冲载荷作用下有限长理想弹性直杆中应力波的传播及其反射引起的分叉问题，讨论此类动力屈曲问题中横向惯性效应的影响；理论分析始终遵循着这样的思路：在分叉的那一瞬间，杆并没有横向惯性效应，目的是给出此类问题的一个合理提法，从理论分析和数值计算中得到了许多重要的结论，理论分析所遵循的思路和所采用的方法对各类结构由于应力波的传播及反射引起的分叉问题具有一定的意义．

考虑裂缝面开合和滑移的应力波传播模型

为了研究应力波在裂缝面处的传播规律,建立了考虑法向开合的切向滑移行为的裂缝面模型,并基于波前动量守恒原理得出了求解波动在裂缝面处传播的时域递归方程组。在验证了方法正确性的基础上,研究了应力波在裂缝面处斜入射时的透反射波形、裂缝面的相对位移和应力时程。研究结果表明:法向开合会延长波动的持续时间,而切向滑移对波动的持续时间没有影响;裂缝面的法向应力状态会影响其切向应力状态,但切向应力状态并不会影响法向应力状态。本文弹性状态时采用的线弹性本构可以被进一步推广为非线性本构,应用范围较广,为研究应力波在裂缝面中的传播提供了进一步的理论依据。

含水率和密度对木材应力波传播速度的影响

为了用应力波检测木材含水率,采用ARBOTOM应力波测试仪测量了木材径向不同位置上的试件在不同含水率（0-65%范围内）条件下的应力波纵向传播速度。结果表明：木材中应力波传播速度随含水率的下降而增加;当含水率低于纤维饱和点时,传播速度随含水率下降增加较大,其中山毛榉的增幅为17.4%-19.5%,落叶松的增幅为18.2%-20.8%;当含水率高于纤维饱和点时,传播速度随含水率下降增加较小,其中山毛榉的增幅为6.0%-7.9%,落叶松的增幅为8.0%-10.6%。当含水率相同时,应力波在同一树种木材不同位置上的传播速度不同,这与木材不同位置的基本密度差异有关。应力波传播速度随木材基本密度的增大而增大,其中山毛榉木材的增幅为17.5%-20.8%,落叶松木材的增幅为12.7%-14.5%。同一树种内的任意含水率下,基本密度不同时应力波传播速度之间差异显著,传播速度和基本密度之间存在较好的正相关线性关系。不同树种之间,传播速度和基本密度之间没有明显关系,这可能与不同树种之间的成分差异有关。

爆炸过程中有关应力波传播问题探讨

针对爆炸过程中出现的３种常见应力波，对其传播速度和应力波幅值进行了讨论，指出应力波的传播速度及其引起的质点振动幅值均与材料的泊松比密切相关。对于应力波传播试验中出现的纵波、横波及瑞利表面波这３种常见应力波，从数值模拟的角度进行了再现。

平面应变各向异性本构关系及在应力波传播模拟中的应用

为了研究平面应变条件下各向异性材料中应力波传播的特点,利用各向异性弹性Hooke定律、Tsai-Hill屈服准则、经典塑性流动理论,引入修正的物态方程计及高压下的体积压缩非线性,建立了平面应变条件下正交各向异性复合材料的弹塑性本构关系,并且分析了二维问题中材料变形引起的主轴旋转及客观应力率修正问题。最后采用动态显式有限元方法自行编写程序模拟某种纤维增强复合材料碰撞过程中平面应力波的传播,模拟结果显示,在平面应变条件下应力波在该材料的传播过程中表现出明显的二维效应、各向异性特点及弹塑性特点。

分层介质SHPB装置应力波传播规律研究

以SHPB实验技术理论为基础,介绍了分层介质实验技术的基本理论。通过计算介质各点质点速度分析了分层介质SHPB装置中应力波的传播规律,为改进SHPB实验技术提供了理论支持。

旋转长杆弹侵彻混凝土靶应力波传播特性研究

利用动量定理和动量矩定理,建立了旋转长杆弹垂直侵彻混凝土时的运动微分方程,并对此微分方程进行了数值求解,讨论了撞击力和侵彻位移的时程特性。在此基础上,利用波动理论建立了纵波的波动方程和扭转波的波动方程。利用有限差分法对波动方程进行了数值求解,讨论了弹体内部应力波的传播特性,重点研究了初始旋转角速度对长杆弹内应力波传播特性的影响。

节理粗糙度对应力波传播及试样破坏影响的颗粒流模拟

为了研究节理粗糙度对应力波传播规律的影响以及粗糙节理试样受应力波作用发生破坏的微观机理,利用基于离散元方法的数值分析软件PFC2D构建了SHPB系统的颗粒流数值模型。在已有SHPB物理试验的基础上对试验中采用的节理试样进行微观参数标定,研究了较低冲击荷载下节理粗糙度对应力波传播的影响规律以及较高冲击荷载下不同形貌节理试样的微观裂纹扩展和破坏机理。研究表明:节理面的存在会降低应力波的透射系数,且节理面粗糙度越大,透射系数越小;冲击载荷下裂纹在节理面处萌生并迅速扩展到试样完整部分尤其是试样端面,大部分裂纹形成于峰后阶段,且张拉裂纹占主导地位;节理面越粗糙,动态强度越低,试样越容易破坏,产生的裂纹数也越多。

应力波传播对振动切削微观机理的影响研究

从振动切削所产生的应力波在切削加工主变形区的传播入手,结合理论分析与有限元分析的方法,力图阐明振动切削应力波微观机理的新进展,促进振动切削技术的完善。

结构中应力波传播问题的一些进展

随着新材料大量应用于高速运载工具的零部件及重要结构工程中，一方面促进了材料科学的发展，同时，也促使人们对其承载能力，特别是承受冲击载荷能力的研究，采用应力波理论与应用技术，既可以研究材料的动态力学性能及结构受冲击载上的应力波传播和动态失效问题。又可以解决结构完全防护，耐撞性设计以及结构的无损检测等工程实际问题，本文就工程中 的结构如梁，板，壳及杆系结构应力波问题研究的一些进展，作一介绍。

煤体弹模变化对应力波传播影响的模拟研究

采用ANSYS/LS-DYNA模拟了应力波在巷道围岩介质中的传播,分析了煤的弹性模量变化对应力波在巷道围岩传播的影响。研究表明:1应力波传播介质的材料属性对其传播有很大影响。随着煤的弹性模量的增加,同一位置应力波加速度幅值增加;2随着传播距离的增大,加速度幅值的总体变化均趋于减小,但是弹性模量大的介质中应力波加速度衰减的相对较慢。