《节理裂隙岩体内应力波传播理论与分析方法》书评
(1. 安徽建筑大学建筑与规划学院, 合肥 230601
2. 中国农业大学土地科学与技术学院, 北京 100193)
摘要: 应力波传播是研究岩石力学领域的重要分支, 岩石工程的动态稳定性分析建立在应力波传播理论的研究基础之上。作为岩石力学重要学科分支之一, 应力波传播理论具有典型的跨学科交叉特点, 对城镇建设与深部高应力下地下工程安全发展发挥着主导作用。随着国家与社会的不断发展, 我国基础设施建设与重大工程设施建设也在进一步的积极推进, 这也对岩石工程的动态性提出了新要求。全书共6个章节, 采用等效连续介质方法和位移不连续方法两种主要的分析手段, 结合数值模拟和实验验证补充, 针对宏观节和细观理裂隙等岩体, 深入探讨并预测了岩体中应力波的传播特性规律。针对应力波在岩体的动态本构关系, 提出并引用均一不连续分析方法, 发现节理裂隙会阻碍应力波的传播导致应力波的衰减和反射, 从而深入研究得出节理裂隙对岩体内应力波传播规律, 旨在帮助读者更好地直观理解节理裂隙岩体内应力波传播理论与分析方法的实践意义。
DOI: 10.48014/bcce.20241108002
引用格式: 赵闯, 汪勇政, 盛双庆. 《节理裂隙岩体内应力波传播理论与分析方法》书评[J]. 中国土木工程通报, 2025, 3(1): 1-5.
文章类型: 书评
收稿日期: 2024-11-08
接收日期: 2025-01-08
出版日期: 2025-03-28
《节理裂隙岩体内应力波传播理论与分析方法》[1]由北京工业大学范立峰教授撰写，通过梳理分析近年来国内外应力波传播问题资料，联系结合相关研究成果总结了节理裂隙岩体内应力波传播理论与分析方法，并于2022年在科学出版社出版。全书主要分为“研究方法分析”、“动态本构关系”、“传播规律分析”三部分共六章节，“研究方法分析”为第1章，“动态本构关系”为2、3章，“传播规律分析”为4~6章，从基础理论到应用展望，注重基本理论与传播方法的阐述，重点说明了解决岩体内应力波传播问题的思路、方法和步骤。
第一章综述了岩体内应力波传播的两种主要方法:等效连续介质方法、位移不连续方法，并通过此两种方法分别对岩体内的宏观节理和细观裂隙进行分析。宏观节理和细观裂隙分别为几何尺寸相对应力波波长而言较大和较小的不连续结构面，不同的连续结构面对岩体的力学影响效果不同。岩体内宏观节理和细观裂隙单独与共同作用对岩体内的应力波传播影响较大，传播规律复杂，对岩石工程动态稳定性有较大的影响。随着国内外的较多的重大岩石工程已经计划实施或已经开展施，岩石工程数量与规模均呈逐渐增大的趋势，而岩石工程的稳定性是安全完成各项重大工程的基础。基于此，国内外主要采取等效连续介质方法、位移不连续方法对不同类型的岩体内的应力波进行研究。等效连续介质方法主要细分为静态等效连续介质方法和动态等效连续介质方法，根据介质与岩体的数字比拟引入有效模型建立等效连续介质与实际岩体之间的关系，从而预测节理裂隙对岩体内应力波传播规律。位移不连续方法通过假设节理应力场连续与位移不连续，从而有效地反映出节理岩体内的应力波传播的透反射规律。同时本章综述了各类研究方法的相关概念、相关研究、针对研究对象以及其带来的影响意义，从而更好地探讨应力波的传播规律。
第二章主要介绍应力波的基本概念、应力波传播的波动方程以及求解波动方程的特征线方法，并研究应力波在固定端、自由端和不同介质界面处的透反射规律。本章先总结分析应力波、波阵面、波速等相关概念，并根据不同特征分析应力波的不同类型。依据质点振动与传播方向、应力波与界面相互作用或者应力波大小与介质的变形特征、几何特性等等分析了应力波。根据材料特性、材料密度、材料位移等变化分别确定本构方程、运动方程、连续方程，基于三个方程建立控制方程即波动方程，并结合初始条件和边界可求得任一截面处的应力、应变和速度，从而求解一维应力波传播问题。对于波动方程中的二阶偏微分方程的求解主要运用特征方程法，根据方向导数法与特征线上的相容关系求解相应方程问题。同时通过计算可以得出，在一维应力波在通过不同介质界面时，应力波的反射与透射与介质的抗阻波相关。当应力波在不同介质发生反射与折射时，尽管介质的密度、波速等均不相同，但是只要其抗阻波相同，弹性波在通过不同介质的界面时也不产生任何反射。
第三章介绍了节理的本构关系以及细观裂隙岩体的本构关系，指出了应力波在节理岩体中衰减特性的重要性和复杂性，探讨其中的动态本构关系。基于静态、准静态条件下节理法向变形关系，系统阐述Goodman双曲线模型、Kullhawy双曲线模型、BB模型、指数函数模型、幂函数模型。基于动态条件下节理法向变形关系，又系统阐述动态BB模型、三相介质模型。同时针对应力波作用下细观裂隙岩体的本构关系，系统阐述一系列的等效连续介质模型，例如Maxwell模型、Voigt模型和标准线性固体模型等。当应力波在岩体内传播时，节理会发生线性或非线性的变形，导致应力波波速下降和振幅衰减等现象。同时当应力波幅值较大时，节理便会发生非线性变化，其张开闭合量与节理法向应力关系曲线呈现非线性特征。随着法向应力的增大，斜度会逐渐增大，曲线会呈现明显的非线性特征。因此对于不同类型的岩体的动态本构关系的细致研究，可以探索出应力波的传播的不同路径，从而全面深入的研究并揭示其在不同岩体中传播规律。当应力波在细观裂隙岩体内传播时，会产生弥散衰减，通常将细观裂隙岩体等效为黏弹性介质来研究应力波的传播[2]。通过对岩体的本构关系进行研究进行深入分析，才能进一步得出应力波的传播规律。
第四章通过运用等效连续介质方法分别对含细观裂隙和宏观节理的岩体内应力波的传播进行分析。针对节理岩体内应力波的传播分析，主要运用线性黏弹性连续介质等效法与非线性黏弹性连续介质等效法这两种手段，构建出双曲线模型(BB模型)、Voigt模型与弹簧串联的三单元标准线性固体模型，便可计算出整个区域内的应力、应变与速度，从而更好地探讨线性变形节理岩体内的应力波传播问题。对于细观裂隙岩体内应力波传播的分析分别采用摆锤冲击试验、数值模拟、三种特征线分析方法，摆锤冲击试验通过数据处理，得出波形、波数、频率等数据，并以花岗岩为例，测量并分析了在高温、循环加热后的不同时间段的波数变化;数值模拟采用数值流形方法建立数值模型，并对影响应力波传播的部分因子进行研究:细观裂隙长度、细观裂隙数量、入射波频率等等;三种特征线分析方法则基于时域分析，采用差分方式，更加有效的求解出应力波在细观裂隙岩体内的传播特征与规律[3]。通过这些方法可以更加准确地预测和分析应力波在细观裂隙和宏观节理岩体中的传播规律，从而对应力波传播进行认知清楚，并为岩体工程的稳定性分析和设计提供重要的理论依据。
第五章主要阐述了位移不连续方法在不同岩体内应力波传播中的应用。线性变形节理岩体内应力波传播的位移不连续方法主要包括时域分析方法和频域分析方法两种。时域分析方法主要关注应力波在不连续面处的反射和透射过程，研究透射系数与入射频率、节理刚度等之间的关系;对于线性变形节理岩体的研究，则主要是基于频谱分析的位移不连续的方法，采用频域分析方法探讨了应力波在其岩体内传播，得出应力波的主要传播规律。非线性位移不连续方法主要对于应力波的幅值较大的情况，此时节理会发生变形为非线性，从而可以更准确地预测和分析应力波在这些非线性变形节理处岩体中的传播规律。对于复杂岩体应力波传播的研究采用节理两侧岩石力学特征情况为例，介绍改进的特征线方法，并融入数值运算科学研究透射系数与入射频率、节理刚度、波阻抗比的影响关系，从而更好地研究出不同类型的岩石中应力波的传播，并总结出应力波的传播规律。运用图表数值运算的同时运用改进特征线，更进一步的探索应力波的传播。同时，通过以线性变形节理为例介绍一种特征线方法和位移不连续模型相结合的应力波求解方法，探索了多条平行节理岩体内的应力波的传播，并总结了应力波在其的传播特点与规律，从而并深入研究了其在复杂的岩石体内的透射传播等。通过运用位移不连续方法对应力波的传播进行探讨，循序渐进地介绍了应力波在节理裂隙岩体中的传播规律。这些内容对于深入理解岩体内应力波的传播机制，以及预测和控制岩体工程的动态稳定性具有重要意义。
第六章主要探讨岩体内应力波传播的均一不连续分析方法。含细观裂隙和线性宏观节理的岩体内应力波传播的位移不连续方法，通过研究谐波解与入射应变波的动态本构关系的改进位移不连续方法、细观裂隙岩体的等效粘弹性特征，从而分析应力波是如何传播在含细观裂隙和线性宏观节理的岩体内，并进一步探索应力波的传播规律。含细观裂隙和线性宏观节理的岩体内应力波传播的分离式三特征线方法将三特征线分为三角形、菱形以及分离式菱形三个基本单元，以构建框架与图文表并茂等方式向读者展示不同单元应力波的传播，并比较线性宏观节理和细观裂隙、同时含细观裂隙和线性宏观节理的岩体对应力波传播的影响，进一步揭示了应力波在复杂岩体中的传播机制。含细观裂隙和非线性宏观节理的岩体内应力波传播的分离式三特征线方法采用分段式非线性位移不连续模型，提出了一种将分离式三特征线与非线性位移不连续模型相结合的方法，研究含细观裂隙和非线性宏观节理的岩体内的应力波透反射规律，阐述非线性宏观节理和细观裂隙对应力波传播的影响机制[4]。针对此类含有细观裂隙和非线性宏观节理的岩体，采用分离式三特征线方法来分析多脉冲应力波的传播，并引入循环载荷下的宏观节理力学模型作为理论基础，对多脉冲应力波传播分析采用三循环加载和卸载作用下宏观节理的分段式模型与BB模型，分析不同时间间隔下的脉冲应力波传播、透射系数与有效速度与入射脉冲时间间隔的关系，从而研究实现了对应力波传播规律的更准确预测。含细观裂隙和填充宏观节理的岩体内应力波传播的双网格三特征线方法结合了双网格技术和三特征线方法的优点，通过对摆锤冲击试验、花岗岩试样等实例分析，利用图表并茂的方式全面的描述应力波在含填充宏观节理的岩体中的传播特性，验证了这些方法的准确性和实用性。这为世界各国计划实施或正在进行的重大岩石工程提供了重要的理论依据和实用方法，对于推动岩体动力学领域的发展也具有重要意义。
《节理裂隙岩体内应力波传播理论与分析方法》一书深入探讨了节理裂隙岩体内应力波的传播理论与分析方法。文章首先梳理概括应力波传播背景、相关概念与其传播规律的研究方法，根据岩石动态本构关系构建不同模型，并采用不同分析方法探索在其在不同岩石体内的传播规律。同时在深入探究的基础上，也为岩体工程的稳定性分析提供了重要的理论支撑，并为工程设计提供了具有可操作性的实用方法，也对于工程设计实施提供了重要的参考价值与意义。随着社会的快速发展，对岩石力学的探索也显得尤其重要。未来，我们应加大对节理裂隙岩体内应力波的应力、应变、速度等特性研究，更全面准确地掌握应力波传播规律特性，从而进一步推动石力学与工程研究领域的发展、提高工程实施的安全性和经济性。
利益冲突: 作者声明没有利益冲突。
[①] *通讯作者 Corresponding author:汪勇政，392988005@qq.com
收稿日期:2024-11-08; 录用日期:2025-01-08; 发表日期:2025-03-28
参考文献(References)
[1] 范立峰. 节理裂隙岩体内应力波传播理论与分析方法[M]. 北京: 科学出版社, 2022.
[2] 李建春, 范立峰, 李郑梁. 岩体中应力波传播规律研究方法进展[J]. 应用力学学报, 2022, 39(5): 845-858.
https://doi.org/10.11776/j.issn.1000-4939.2022.05.005.
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https://doi.org/10.11776/j.issn.1000-4939.2022.05.007.
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https://doi.org/10.11936/bjutxb2021030015.
Book Review of Theory and Analytical Methods for Stress Wave Propagation in Jointed and Fractured Rock Masses
(1. School of Architecture & Urban Planning, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China
2. China Agricultural University College of Land Science and Technology, Beijing 100193, China)
Abstract: Stress wave propagation is an important branch in the field of rock mechanics, and the dynamic stability analysis of rock engineering is built upon the research foundation of stress wave propagation theory. As one of the significant disciplinary branches of rock mechanics, stress wave propagation theory is characterized by its typical interdisciplinary nature, playing a leading role in the safe development of urban construction and underground engineering under deep high stress. With the continuous development of the country and society, major national engineering construction facilities are in full swing, which also poses new requirements for the dynamics of rock engineering. This book consists of six chapters, adopting two primary analytical methods: the equivalent continuum medium method and the displacement discontinuity method. Combining numerical simulations and experimental validations, egarding macroscopic joints and microscopic fractures in rock masses, it explore and predict the propagation characteristics and laws of stress waves in jointed and fractured rock masses. Regarding the dynamic constitutive relations of stress waves in rock masses, a uniform. discontinuity analysis method is proposed and referenced. It is found that joints and fractures hinder the propagation of stress waves, leading to their attenuation and reflection. Therefore, the propagation laws of stress waves in macro-jointed rock masses and meso-fractured rock masses are thoroughly investigated. The aim is to help readers better understand the practical significance of stress wave propagation theory and analytical methods in jointed and fractured rock masses.
Keywords: Rock mass, stress wave propagation, analytical methods, laws, book review
DOI: 10.48014/bcce.20241108002
Citation: ZHAO Chuang, WANG Yongzheng, SHENG Shuangqing. Book review of Theory and Analytical Methods for Stress Wave Propagation in Jointed and Fractured Rock Masses[J]. Bulletin of Chinese Civil Engineering 2025, 3(1): 1-5.