基于非连续数值方法的岩体动态品质因子分析

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天然地震或爆破引起的应力波在介质中传播时,即使不考虑波阵面的扩散效应,振幅也会随着传播距离的增加而显著衰减。造成这种衰减的原因主要有:1.介质非均匀造成的散射衰减,这类衰减通常用散射品质因子来表示;2.介质吸收造成的固有衰减(本征衰减),这类衰减通常用固有品质因子来表示。此外,由于散射衰减与固有衰减的分离存在困难,一般测量方法得到的品质因子同时反映了这两种衰减,通常用视品质因子表示。关于动态品质因子(品质因子)的研究,目前的方法主要有理论研究、原位测试、地震资料反演、室内试验和数值方法。岩体中广泛分布的节理对应力波传播存在显著影响,然而关于节理性质对品质因子的影响的研究还鲜见。离散元方法将节理岩体视为由离散块体和节理面所组成,可以较真实地表达节理岩体的几何特点,成为研究岩体中波传播问题的有利工具,因此本文选择离散元方法来研究岩体动态品质因子。本文首先提出了一种基于通用离散元程序UDEC的岩体动态品质因子计算方法,并给出了区分散射衰减与固有衰减的方法,通过与节理岩体中波传播理论研究结果的对比,验证了基于UDEC模拟获得岩体品质因子的可行性。然后针对平行的贯通节理,对数值模拟时应采用的表征单元体的尺寸问题作了一定讨论,并研究了节理特性(力学性质、几何分布)以及入射波特性对动态品质因子的影响。结果表明,固有品质因子的大小与节理特性高度相关,并且受入射波频率及入射波幅值的影响,并且这些因素对于散射衰减、波速、透射率等反映岩体动态性能的参数也有显著影响,在一定条件下,波速、透射率等参数与固有品质因子有着一定相关性。接着,针对包含非贯通节理的复杂岩体,在UDEC中建立离散裂隙网络,进而分析了节理特性以及入射波特性对动态品质因子的影响,既得出了类似于节理贯通情况下,同时也得出了相较于节理完全贯通的情况,发现在节理非贯通的情况下散射衰减显著降低的结论。最后,依托某地铁隧道施工项目,基于现场实测数据,采用上升时间法计算得到测试区域内的P波视品质因子。利用现场节理的统计结果,在UDEC中生成离散裂隙网络,并通过数值模拟得到P波视品质因子。将模拟结果与现场结果进行对比,发现模拟结果与实测结果基本吻合。
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