1、第27卷第1期巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)Vol.27No.12008年1月ChineseJournalofRockMechanicsEngineeringJan.，2008收稿日期：收稿日期：2007–01–01；修回日期：修回日期：2007–12–11基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后面上基金（2015M582289）；國(guó)家自然科學(xué)基金(51274157)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51309183)作者簡(jiǎn)介：劉婷婷(1988–)，女，博士，主要從事節(jié)理力

2、學(xué)特性及應(yīng)力波的傳播規(guī)律等方面的研究工作。Email：ttliu@whut.。應(yīng)力波在充填節(jié)理巖體中傳播規(guī)律的數(shù)值研究應(yīng)力波在充填節(jié)理巖體中傳播規(guī)律的數(shù)值研究摘要摘要：通過(guò)離散元數(shù)值模擬對(duì)應(yīng)力波在含一組平行充填節(jié)理巖體中的傳播規(guī)律開(kāi)展了研究，并應(yīng)用等效介質(zhì)模型對(duì)應(yīng)力波在含多條小間距充填節(jié)理巖體的傳播規(guī)律進(jìn)行分析。首先，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與理論結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了UDEC模擬應(yīng)力波在單個(gè)充填節(jié)理處的傳播規(guī)律的可行性。然后將UDEC模型進(jìn)行擴(kuò)展

3、研究應(yīng)力波在含一組平行充填節(jié)理的巖體中的傳播規(guī)律，對(duì)充填厚度、節(jié)理間距、節(jié)理數(shù)量展開(kāi)參數(shù)分析。研究發(fā)現(xiàn)，隨著充填厚度的增加，對(duì)于不同的節(jié)理間距和數(shù)量，透射系數(shù)均減小，而節(jié)理數(shù)量對(duì)透射系數(shù)的影響與節(jié)理間距有關(guān)。存在兩個(gè)臨界值將節(jié)理間距對(duì)透射系數(shù)的影響規(guī)律劃分為三個(gè)不同區(qū)間，當(dāng)節(jié)理間距足夠大時(shí)，透射系數(shù)趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定值與節(jié)理數(shù)量存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系。最后，當(dāng)節(jié)理間距較小時(shí)，采用一維等效介質(zhì)進(jìn)行分析，并對(duì)入射波頻率、充填材料特性、充填厚度以及節(jié)

4、理數(shù)量展開(kāi)了參數(shù)分析對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)四個(gè)參數(shù)的增加均會(huì)加大應(yīng)力波的衰減；一維等效介質(zhì)可以用于可以描述應(yīng)力波在多個(gè)小間距的充填節(jié)理中的傳播。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：充填節(jié)理；應(yīng)力波；數(shù)值模擬；透射系數(shù)中圖分類號(hào)中圖分類號(hào)：O319.56文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：1000–6915(2006)01–0001–03NUMERICALSTUDYONSTRESSWAVEPROPAGATIONACROSSFILLEDJOINTSAbstract

5、：Thediscreteelementsimulationswereconductedtoinvestigatethewavetransmissionacrossasetofparallelfilledjoints.Inadditiontheequivalentmediummodelwasusedtoanalyzethewavetransmissionacrossmultiplefilledjointswithsmallspace.Fi

6、rstlythefeasibilityofUDECwasverifiedthroughthecomparativeanalysisofresultsofnumericalsimulationtwotheeticalmethods.Subsequentlythenumericalsimulationwasextendedtoinvestigatethewavetransmissionacrossasetofparallelfilledjo

7、ints.Meovertheparametricanalysisftheeffectsoffilledthicknessjointspacenumberontransmissioncoefficientswascarriedout.Theresultsrevealedthatthetransmissioncoefficientdecreaseswithincreasingthefilledthicknesswhichisnotaffec

8、tedbyjointspacenumber.Howevertheinfluenceofjointnumberontransmissioncoefficientisrelatedtojointspace.Notethattheinfluenceofjointspaceontransmissioncoefficientcanbedividedintothreedifferentrangesbytwocriticalvalues.Transm

9、issioncoefficienttendstobestablewhenthejointspaceislargeenough.thestablevalueinexponentialfunctionwithjointnumber.Finallytheequivalentmediummodelwasusedtoanalyzethewavetransmissionacrossmultiplefilledjointswithsmallspace

10、.Thentheeffectofrelevantparameterssuchasincidentwavefrequencyfilledmaterialpropertiesfilledthicknessjointnumberonwavetransmissionwascarriedout.Theresultsshowthattheincreaseoffourparameterswillincreasetheattenuationofstre

11、sswavetheequivalentmediummodelcanbeusedtodescribewavetransmissionacrossmultiplefilled第28卷第1期張三等.排版格式與論文書(shū)寫(xiě)要求?3?影響。2.1理論計(jì)算方法理論計(jì)算方法巖石巖石無(wú)充填節(jié)理位移u(xt)巖石巖石充填材料充填厚度t位移u(xt)(a)不連續(xù)位移模型(b)連續(xù)位移模型圖1.充填節(jié)理模型示意圖[10].Fig.1Schematicviewof

12、thefilledjoint[10].2.1.1薄層理論薄層理論基于特征線法，將充填節(jié)理看作薄層（TLIM），Li[10]得到應(yīng)力波通過(guò)單個(gè)充填節(jié)理的傳播方程，其中應(yīng)力波通過(guò)一個(gè)節(jié)理壁的速度和應(yīng)力滿足：(1)111111(x)(x)(x)(x)[(x)(x)]ijijijijijijvtvtAvtBvtCtt???????????????(2)1111111(x)(x)(x)(x)(x)(x)ijijijijijijttzvtzvttt

13、?????????????????????其中，，，()Azzz?????()Bzzz?????和分別表示節(jié)1()Czz????1(x)ijvt??1(x)ijvt?理壁兩側(cè)的粒子振動(dòng)速度，和1(x)ijt???表示節(jié)理壁兩側(cè)的應(yīng)力，z和z表示節(jié)1(x)ijt???理壁前后的材料的波阻抗，如對(duì)于第一個(gè)節(jié)理壁，z為巖體的波阻抗，z為充填材料的波阻抗。波阻抗為材料密度與波速的乘積。2.1.2.等效波阻抗方法等效波阻抗方法基于應(yīng)力和速度連續(xù)，

14、李夕兵[12]通過(guò)等效波阻抗方法，求出了應(yīng)力波在多層巖體中的傳播透射系數(shù)，如式(3)所示：(3)??100011021()tan2=2()tanjzzYTzYjzzzz???????其中，為多層巖體等效波阻抗，對(duì)于單個(gè)夾層的Y等效波阻抗可按式(4)求得；；z0和z12t????分別表示巖石和充填材料的波阻抗；t為節(jié)理厚度；λ為波長(zhǎng)。(4)0101cossin=cos()sinzjzYjzz??????2.2UDEC模型模型為了驗(yàn)證UDE

15、C模擬縱波（P波）在充填節(jié)理處的傳播規(guī)律的有效性，建立300m1m的桿狀模型，如圖2所示。因?yàn)槟M的是P波的入射，上下邊界固定了y方向的位移。為了消除人工邊界的反射影響，左邊和右邊邊界為無(wú)反射粘彈性邊界。節(jié)理位置在x=130m處，入射波和反射波監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在x=10m、134m處。采用設(shè)置兩條節(jié)理（相當(dāng)于充填節(jié)理的兩壁），并對(duì)其中的材料賦值不同的材料屬性來(lái)模擬充填節(jié)理，兩條節(jié)理的間距即為充填節(jié)理的厚度。從左邊邊界施加半個(gè)周期的入射正弦波，

16、頻率為100Hz，波幅為1ms。為了滿足計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分尺寸與波長(zhǎng)的比值要小于18–112[15]。因此，巖體中網(wǎng)格尺寸劃分為2m，而充填節(jié)理中由于充填材料的波速較低，其波長(zhǎng)也更小，因此其中網(wǎng)格尺寸劃分為0.01m。為了與理論結(jié)果更好的對(duì)比，節(jié)理厚度取值為1mm10mm。節(jié)理壁采用庫(kù)倫滑移模型，巖石和充填材料均采用線彈性模型。因?yàn)椴捎玫奈灰茟?yīng)力連續(xù)模型，所以節(jié)理壁的剛度值和粘聚力設(shè)置較大以保證充填節(jié)理的位移發(fā)生在充填材料內(nèi)部。巖石和充

17、填材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示，波速和密度與文[10]相同。表1巖體和充填材料物理力學(xué)參數(shù)Table3Physicomechanicalpropertiesofrockmass密度?(kgm3)體積模量K剪切模量GP波波速(ms)S波波速(ms)巖石280051.8GPa27GPa56003100充填材料170048MPa20.2MPa210110300m測(cè)點(diǎn)B測(cè)點(diǎn)A1入射正弦P波xy充填節(jié)理圖2應(yīng)力波穿過(guò)單個(gè)充填節(jié)理計(jì)算模型（單位：m）F