地应力作用下复杂岩体中弹性波传播规律研究结题摘要

为研究复杂地应力作用下岩体中弹性波波速与载荷之间的关系，本项目在理论、数值分析，和实验方面进行了较系统的探索。主要研究结果如下：(1)弹性波散射理论方面，从岩体中局部的细微观缺陷出发，基于波动方程的Green函数解和边界积分方法，建立了研究复杂介质中弹性波传播的频散效应和尺度效应的“双椭圆裂纹”模型。由此，研究了含不同尺寸分布的缺陷的岩体中的弹性波频散特性；考虑三种内边界载荷条件，研究了内边界载荷对弹性波频散效应的影响。(2)量纲理论分析与工程应用研究方面，基于无量纲分析方法，得到了一个含三个参数的、可描述外载荷作用的弹性波波速的频散表达式，将此频散表达式分别与Hashin- Shtrikman下限模型和Hashin-Shtrikman上限模型相结合，可以进行很好地描述复杂介质中各种细观成分胶结不好和胶结较好等情况。此方法可初步用于工程分析。(3)载荷作用下模型材料弹性波散射特性实验研究方面，采用三种频率的声波探头，对准静态加载过程中的泡沫铝、EPS混凝土、钢纤维水泥砂浆等三种典型材料进行不同频率下声波波速测试，提出了相对波速分析方法。结合高速摄影与数值散斑技术，探索了宏观声波波速的变化与细微观结构的变化的关系。(4)离散元数值分析方面，建立了从微观到细观到宏观的多尺度离散元计算方法。微观尺度为基本粒子，细观尺度为由基本粒子组成的团簇，宏观尺寸为由团簇组成的代表单元。结合动态实验，系统分析了多种应力状态下岩石材料的动态破碎过程，以及波在复杂介质中的传播规律。(5)为实现复杂应力状态，以研究复杂应力状态下岩体中波的传播特性，形成了研究压剪联合作用下动态实验技术、基于真三轴静载的岩石动态实验技术，以及联系岩石宏观响应与细微观结构演化的动态数值散斑分析技术。 2100433B

原位岩体处于复杂地应力状态，现场声波和地震波测试结果非常复杂，严重影响到岩体评价和工程设计与施工。本项目试图探索解决此困境的途径。实验方面研究复杂应力状态（包括加卸荷过程）下，岩体中细观结构对弹性波传播规律的影响，以及卸荷的时间效应。此方面尚未见成熟工作。为克服现行理论的困难，理论研究采用多尺度分析思想，细观上研究岩体中的双裂纹、双孔洞及孔洞-裂纹组成的双缺陷体系对波的散射效应，宏观上则采用等效介质分析方法，研究复杂应力状态下波在双缺陷介质中的传播，以形成科学的现场测试技术。为探讨应用现场声波和地震波技术测试地应力水平的可能性，将引入量纲理论分析方法，结合上述理论进行更深入理论研究。本申请的多尺度模型可描述强频散问题，极大促进岩石物理理论模型的研究，推动地震波理论的发展和完善。本研究揭示的在复杂地应力状态下岩体的波动响应规律，对水利工程、矿山工程、物探等领域有十分重要的实用意义。

以锦屏一、二级水电站存在的工程问题为背景，针对深部岩体长期处于三高一扰动复杂地质力学的赋存环境，拟采用现场地震勘探、深部地应力测量、超声地震模型试验、数值模拟实验、智能反演等手段，通过地学、力学、工程科学的交叉综合分析，研究深部岩体分区和地应力分布规律等基础科学问题。研究内容有：（1）多波多分量地震勘探深部岩体地质构造技术研究；（2）深部地应力声波测量方法研究；（3）深部地应力演化元胞自动机反 2100433B

在能量、时间与频率、以及质量范畴内，把高地应力下硬岩爆破破裂行为的基础问题，抽象为爆炸加载与高地应力共同作用，致使硬岩产生破裂响应的动静组合能量守恒系统。主要研究：高地应力作用对硬岩中爆炸应力波传播产生影响的规律；不同应力状态下硬岩选择性吸收应力波能量的频谱分量，与地应力作用对爆生裂隙的发育与扩展等破裂行为产生倾向性影响之间，存在的内在联系；高地应力卸荷对破裂行为产生影响的机理；进行不同地应力作用下，2-D与3-D物理模型对比破裂实验，从方法学的角度揭示应力波与地应力作用，对硬岩破裂(碎)结果产生影响的机制；最后，根据硬岩消耗的能量与其损伤、破裂或破碎程度之间，存在的对应关系，基于断裂力学理论和能量守恒原理，探索高地应力下硬岩爆破破裂行为机理。本研究对于提高硬岩地下工程建设质量，控制工程建设与运营风险，满足国民经济持续发展对矿产资源、水电及交通地下工程的需求，具有理论和现实意义。

本项目从分析井下锚杆(索)支护工程失稳的原因出发，进行锚杆(索)锚固质量、工作载荷及锚固力的无损动力检测理论研究。主要研究内容：横向、纵向应力波在井下复杂的托板-锚杆-树脂-围岩系统中有预应力的锚杆(索)内的传播规律；应力波在力学特性变异界面的反射与透射规律；井下工作状态下复杂围岩条件的锚杆(索)-托板-树脂系统的纵向和横向振动力学模型；锚杆(索)的长度、锚固长度与位置、锚杆（索）的工作荷载与锚固力等锚固质量指标的检测机理与方法研究，并开发相应的检测技术装备。本项目研究对工程力学发展、检测技术装备的开发具有促进作用，对提高锚杆(索)支护工程安全性具有重大的现实意义。