巖體節(jié)理剛度的全波形信息測試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種巖體節(jié)理剛度的全波形信息測試方法，包含數(shù)據(jù)測試和分析兩個方面，測試步驟包含2個小步驟：①試驗區(qū)域巖塊物理力學(xué)參數(shù)的測試，②節(jié)理法向和切向剛度的現(xiàn)場測試；數(shù)據(jù)分析步驟包含5個小步驟：①建立子波在節(jié)理傳播的時域分析模型，②子波分解透射波，③計算入射波和反射波的子波系列，④計算入射側(cè)平行節(jié)理走向和垂直節(jié)理走向的時域波形，⑤計算節(jié)理的法向剛度和切向剛度。它是基于全波形信息分析節(jié)理剛度的方法，結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)特性具有控制作用，準(zhǔn)確獲取巖體節(jié)理法向剛度和切向剛度對巖體工程的設(shè)計、施工、穩(wěn)定性評價和巖體加固具有重要意義，具有操作簡單快捷、測試成本低，測試結(jié)果更全面反映了節(jié)理力學(xué)特性的復(fù)雜性。
【專利說明】巖體節(jié)理剛度的全波形信息測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖體節(jié)理剛度測試技術(shù)，在深入研究節(jié)理引起子波的振幅和相位變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了在時域上全波形信息計算巖體節(jié)理剛度的測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在漫長的地質(zhì)作用過程中，巖體中形成了不同尺度的結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致巖體具有非連續(xù)、非均質(zhì)和各向異性的力學(xué)特性。這些尺度不一、形態(tài)各異和分布錯綜的各類結(jié)構(gòu)面強烈地影響著工程巖體的力學(xué)性質(zhì)與穩(wěn)定性，對巖體的變形和破壞起控制作用，準(zhǔn)確獲取巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)是巖體力學(xué)中的重要和難點問題。
[0003]節(jié)理剛度的測試方法主要有室內(nèi)測試、現(xiàn)場測試、反演和工程物探等技術(shù)手段，這些方法具有自身的優(yōu)勢，同時也存在某些不足。(I)室內(nèi)測試，通過現(xiàn)場取樣，或者滿足某些參數(shù)相同或者相似比要求進(jìn)行制作試驗樣品，采用室內(nèi)測定方法獲取節(jié)理的變形參數(shù)，該方法具有成本低和操作簡單的優(yōu)勢，但存在的問題是難以綜合考慮地應(yīng)力和地下水等地質(zhì)環(huán)境因素，取樣過程易擾動，特別是節(jié)理，其厚度僅為數(shù)毫米至數(shù)厘米，難以現(xiàn)場取樣進(jìn)行室內(nèi)測定。(2)現(xiàn)場測試，該方法的測試結(jié)果具有準(zhǔn)確可靠的特點，受現(xiàn)場測試周期長和測試成本高等方面的限制，因而試驗點必須具有較強的代表性。(3)參數(shù)反演，該方法具有成本低的優(yōu)勢，但依賴于輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性，在巖體宏觀破壞前節(jié)理對巖體整體變形的貢獻(xiàn)很小，在調(diào)整節(jié)理的變形力學(xué)參數(shù)時，巖體整體變形不明顯，因而在進(jìn)行參數(shù)反演時，反演結(jié)果的可靠性受到較大的影響。(4)工程物探，該方法具有測試成本低、操作簡單和便于進(jìn)行現(xiàn)場測試，但是數(shù)據(jù)處理難度較大，目前主要是基于波速和阻抗參數(shù)提出的測試方法。
[0004]眾所周知，應(yīng)力波在不同類型的介質(zhì)中具有不同的傳播特征，在彈性性質(zhì)不同的介質(zhì)分界面上還會發(fā)生波的反射和折射。當(dāng)巖土介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和密度等因素發(fā)生變化時，應(yīng)力波的傳播速度亦將隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。巖石的彈性常數(shù)與波速之間在理論上存在定量關(guān)系，巖體中的破碎帶和斷層是巖體結(jié)構(gòu)上潛在的缺陷，這些部位有較低的波速響應(yīng)，波速能夠有效反映巖體結(jié)構(gòu)信息，缺陷越大，依據(jù)波速分析巖體結(jié)構(gòu)的效果越好，因此可以利用應(yīng)力波波速分析巖體中大尺度結(jié)構(gòu)面(破碎帶、斷層等)。目前，主要采用聲時、波幅、頻率三個參數(shù)進(jìn)行超聲檢測和探測，已建立定量或半定量數(shù)學(xué)表達(dá)式，運用這些研究成果進(jìn)行工程物探時也取得了非常大的成績。但巖體節(jié)理具有尺度小和力學(xué)特性復(fù)雜的特點，常規(guī)的測試技術(shù)有待改進(jìn)。影響應(yīng)力波在巖體節(jié)理傳播規(guī)律的因素較多，如節(jié)理的物質(zhì)成分、粒度級配、含水率、孔隙比、干密度等，另外還受到夾層的宏微觀組構(gòu)、地應(yīng)力和地下水等地質(zhì)環(huán)境的影響，因而難以依據(jù)某一波形參數(shù)反映力學(xué)特性復(fù)雜的巖體節(jié)理。應(yīng)力波在巖體節(jié)理的傳播過程中，不同頻率的應(yīng)力波對節(jié)理的感應(yīng)程度不同，但其影響程度可以歸納為應(yīng)力波的振幅譜和相位譜變化。應(yīng)力波的振幅譜和相位譜變化，最終體現(xiàn)在應(yīng)力波的波形變化，應(yīng)力波的聲時、波幅和頻率僅從某些方面揭示了應(yīng)力波傳播規(guī)律，因而波形能夠綜合反映應(yīng)力波傳播規(guī)律。通過理論和試驗研究表明子波波形變化比走時對斷層的反應(yīng)更為敏感，充分反映了波形變化規(guī)律在巖體力學(xué)參數(shù)測試和巖體結(jié)構(gòu)探測方面的優(yōu)勢。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提供一種巖體節(jié)理剛度的全波形信息測試方法，結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)特性具有控制作用，準(zhǔn)確獲取巖體節(jié)理的法向剛度和切向剛度對巖體工程的設(shè)計、施工、穩(wěn)定性評價和巖體加固具有重要意義。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種巖體節(jié)理剛度的全波形信息測試方法，包含測試步驟和數(shù)據(jù)分析步驟:
[0007]A、測試步驟
[0008]第一步:測試試驗區(qū)域巖塊的物理力學(xué)參數(shù)
[0009]彈性模量、泊松比和密度；在試驗區(qū)域選擇有代表性的巖塊，加工成標(biāo)準(zhǔn)巖樣，用巖石試驗機測試巖石的力學(xué)參數(shù)，米用常規(guī)方法測試巖塊的密度。
[0010]第二步:測試節(jié)理法向和切向剛度
[0011]沿待測試節(jié)理走向，選擇能夠反映節(jié)理力學(xué)特性的試驗區(qū)段，試驗區(qū)段要求表面相對平整；在試驗區(qū)段布置2-5條測線，為保證測試精度，所有測線的入射角度不大于65° ;對測線進(jìn)行編號，第I條測線與節(jié)理垂直，即入射角為0°，隨測線編號增加，入射角增加，所有測線匯交于一點，該點為振源處，即施加沖擊載荷的作用點；沿每條測線，在節(jié)理兩側(cè)布置兩個二分量傳感器，一個分量平行節(jié)理走向布置，另一個分量垂直節(jié)理走向布置，以下簡稱在振源方向的半側(cè)為入射側(cè)，簡稱另一側(cè)為透射側(cè)，傳感器與節(jié)理的距離為10-30cm，在入射側(cè)和透射側(cè)布置的傳感器與節(jié)理距離相同；沖擊載荷產(chǎn)生的振動為振源，振源處與節(jié)理間的距離為0.5-2.0m，節(jié)理兩側(cè)巖體的微裂隙越發(fā)育，距離越小；記錄各傳感器、振源和節(jié)理的位置坐標(biāo)后，沖擊載荷產(chǎn)生應(yīng)力波，采用振動數(shù)據(jù)采集儀記錄各傳感器的振動波形。
[0012]B、數(shù)據(jù)分析步驟
[0013]建立子波在節(jié)理的時域傳播模型，將透射波分解為子波，運用子波在節(jié)理的時域傳播模型，計算入射側(cè)入射波和反射波，基于入射側(cè)的計算時域波形和實測時域波形匹配條件確定節(jié)理剛度，數(shù)據(jù)分析步驟如下。
[0014]第一步:建立子波在節(jié)理傳播的時域分析模型
[0015]采用彈簧模型描述節(jié)理變形，設(shè)結(jié)構(gòu)面節(jié)理兩側(cè)應(yīng)力連續(xù)，位移不連續(xù)量等于應(yīng)力與節(jié)理剛度之比，建立透射、反射波速度時域波形與入射波時域波形的微分方程組，P波入射時見關(guān)系式1，SV波入射時見關(guān)系式2，運用波形匹配追蹤法得到各透、反射波形的解析解，實現(xiàn)了在時域上分析節(jié)理對應(yīng)力波傳播的影響，計算透射波和反射波的時域波形。
[0016]關(guān)系式1:
[0017]
【權(quán)利要求】
1.一種巖體節(jié)理剛度的全波形信息測試方法，其特征是:包含測試步驟和數(shù)據(jù)分析步驟: A、測試步驟 第一步:測試試驗區(qū)域巖塊的物理力學(xué)參數(shù) 彈性模量、泊松比和密度；在試驗區(qū)域選擇有代表性的巖塊，加工成標(biāo)準(zhǔn)巖樣，用巖石試驗機測試巖石的力學(xué)參數(shù)，米用常規(guī)方法測試巖塊的密度； 第二步:測試節(jié)理法向和切向剛度 沿待測試節(jié)理走向，選擇能夠反映節(jié)理力學(xué)特性的試驗區(qū)段，試驗區(qū)段要求表面相對平整；在試驗區(qū)段布置2-5條測線，為保證測試精度，所有測線的入射角度不大于65° ;對測線進(jìn)行編號，第I條測線與節(jié)理垂直，即入射角為0°，隨測線編號增加，入射角增加，所有測線匯交于一點，該點為振源處，即施加沖擊載荷的作用點；沿每條測線，在節(jié)理兩側(cè)布置兩個二分量傳感器，一個分量平行節(jié)理走向布置，另一個分量垂直節(jié)理走向布置，以下簡稱在振源方向的半側(cè)為入射側(cè)，簡稱另一側(cè)為透射側(cè)，傳感器與節(jié)理的距離為10-30cm，在入射側(cè)和透射側(cè)布置的傳感器與節(jié)理距離相同；沖擊載荷產(chǎn)生的振動為振源，振源處與節(jié)理間的距離為0.5-2.0m，節(jié)理兩側(cè)巖體的微裂隙越發(fā)育，距離越小；記錄各傳感器、振源和節(jié)理的位置坐標(biāo)后，沖擊載荷產(chǎn)生應(yīng)力波，采用振動數(shù)據(jù)采集儀記錄各傳感器的振動波形； B、數(shù)據(jù)分析步 驟 建立子波在節(jié)理的時域傳播模型，將透射波分解為子波，運用子波在節(jié)理的時域傳播模型，計算入射側(cè)入射波和反射波，基于入射側(cè)的計算時域波形和實測時域波形匹配條件確定節(jié)理剛度，數(shù)據(jù)分析步驟如下: 第一步:建立子波在節(jié)理傳播的時域分析模型 采用彈簧模型描述節(jié)理變形，設(shè)結(jié)構(gòu)面節(jié)理兩側(cè)應(yīng)力連續(xù)，位移不連續(xù)量等于應(yīng)力與節(jié)理剛度之比，建立透射、反射波速度時域波形與入射波時域波形的微分方程組，P波入射時見關(guān)系式1，SV波入射時見關(guān)系式2，運用波形匹配追蹤法得到各透、反射波形的解析解，實現(xiàn)了在時域上分析節(jié)理對應(yīng)力波傳播的影響，計算透射波和反射波的時域波形； 關(guān)系式I:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巖體節(jié)理剛度的全波形信息測試方法，其特征是:最佳的的測試步驟和數(shù)據(jù)分析步驟如下: A、測試步驟 第一步:測試試驗區(qū)域巖塊的物理力學(xué)參數(shù)，需要測試的力學(xué)參數(shù)有彈性模量、泊松比和密度；在試驗區(qū)域選擇有代表性的巖塊，加工成標(biāo)準(zhǔn)巖樣，用巖石試驗機測試巖塊的力學(xué)參數(shù)，采用常規(guī)的方法測試巖石的密度；通過取平均值的方法確定試驗區(qū)巖塊的彈性模量為24.06GPa，密度為2543kg/m3，泊松比為0.17 ； 第二步:測試節(jié)理的法向和切向剛度，沿待測試節(jié)理走向，選擇能夠反映節(jié)理力學(xué)特性的試驗區(qū)段，試驗區(qū)段要求表面相對平整；在試驗區(qū)段布置4條測線，并對測線進(jìn)行編號，4條測線的入射角分別為0°、20°、40°和60°，所有測線匯交于一點，該點為振源處，即施加沖擊載荷的作用點；沿每條測線，在節(jié)理兩側(cè)布置兩個二分量加速度傳感器，用石膏粉將傳感器粘結(jié)在試驗區(qū)域的表面，一個分量平行節(jié)理走向布置，另一個分量垂直節(jié)理走向布置，以下簡稱在振源方向的半側(cè)為入射側(cè)，簡稱另一側(cè)為透射側(cè)，入射側(cè)和透射側(cè)的傳感器與節(jié)理的距離均為15cm ;沖擊載荷產(chǎn)生的振動為振源，振源處與節(jié)理間的距離為1.0m ;記錄各傳感器、振源和節(jié)理的位置坐標(biāo)后，采用沖擊載荷產(chǎn)生應(yīng)力波，記錄各傳感器的振動波形；傳感器參數(shù)為:電荷靈敏度10.427~14.091pC/mS_2，頻響范圍0.2~5kHz，諧振頻率15kHz ;用人工敲擊產(chǎn)生震動信號，振動波形經(jīng)信號調(diào)理儀進(jìn)行濾波處理后再采集，信號調(diào)理儀的參數(shù)設(shè)置為低通3kHz，總采樣率為500kHz ;所使用的振動采集儀為北京東方振動與噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV306振動采集儀； B、數(shù)據(jù)分析步驟 第一步:建立子波在節(jié)理傳播的時域分析模型 采用彈簧模型描述節(jié)理變形，設(shè)結(jié)構(gòu)面節(jié)理兩側(cè)應(yīng)力連續(xù)，位移不連續(xù)量等于應(yīng)力與節(jié)理剛度之比，建立透射、反射波速度時域波形與入射波時域波形的微分方程組，P波入射時見關(guān)系式1，SV波入射時見關(guān)系式2 ;運用波形匹配追蹤法得到各透、反射波形的解析解，實現(xiàn)了在時域上分析節(jié)理對應(yīng)力波傳播的影響，計算透射和反射的時域波形； 關(guān)系式I:
【文檔編號】G01N29/44GK103792289SQ201410050277
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)明者】王觀石, 胡世麗, 龍平, 王星光, 李志文 申請人:江西理工大學(xué)