岩体节理刚度的全波形信息测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种岩体节理刚度的全波形信息测试方法，包含数据测试和分析两个方面，测试步骤包含2个小步骤：①试验区域岩块物理力学参数的测试，②节理法向和切向刚度的现场测试；数据分析步骤包含5个小步骤：①建立子波在节理传播的时域分析模型，②子波分解透射波，③计算入射波和反射波的子波系列，④计算入射侧平行节理走向和垂直节理走向的时域波形，⑤计算节理的法向刚度和切向刚度。它是基于全波形信息分析节理刚度的方法，结构面对岩体力学特性具有控制作用，准确获取岩体节理法向刚度和切向刚度对岩体工程的设计、施工、稳定性评价和岩体加固具有重要意义，具有操作简单快捷、测试成本低，测试结果更全面反映了节理力学特性的复杂性。
【专利说明】岩体节理刚度的全波形信息测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩体节理刚度测试技术，在深入研究节理引起子波的振幅和相位变化规律的基础上，提出了在时域上全波形信息计算岩体节理刚度的测试方法。
【背景技术】
[0002]在漫长的地质作用过程中，岩体中形成了不同尺度的结构面，这些结构面导致岩体具有非连续、非均质和各向异性的力学特性。这些尺度不一、形态各异和分布错综的各类结构面强烈地影响着工程岩体的力学性质与稳定性，对岩体的变形和破坏起控制作用，准确获取岩体结构面的力学参数是岩体力学中的重要和难点问题。
[0003]节理刚度的测试方法主要有室内测试、现场测试、反演和工程物探等技术手段，这些方法具有自身的优势，同时也存在某些不足。(I)室内测试，通过现场取样，或者满足某些参数相同或者相似比要求进行制作试验样品，采用室内测定方法获取节理的变形参数，该方法具有成本低和操作简单的优势，但存在的问题是难以综合考虑地应力和地下水等地质环境因素，取样过程易扰动，特别是节理，其厚度仅为数毫米至数厘米，难以现场取样进行室内测定。(2)现场测试，该方法的测试结果具有准确可靠的特点，受现场测试周期长和测试成本高等方面的限制，因而试验点必须具有较强的代表性。(3)参数反演，该方法具有成本低的优势，但依赖于输入参数的准确性，在岩体宏观破坏前节理对岩体整体变形的贡献很小，在调整节理的变形力学参数时，岩体整体变形不明显，因而在进行参数反演时，反演结果的可靠性受到较大的影响。(4)工程物探，该方法具有测试成本低、操作简单和便于进行现场测试，但是数据处理难度较大，目前主要是基于波速和阻抗参数提出的测试方法。
[0004]众所周知，应力波在不同类型的介质中具有不同的传播特征，在弹性性质不同的介质分界面上还会发生波的反射和折射。当岩土介质的成分、结构和密度等因素发生变化时，应力波的传播速度亦将随之发生相应的变化。岩石的弹性常数与波速之间在理论上存在定量关系，岩体中的破碎带和断层是岩体结构上潜在的缺陷，这些部位有较低的波速响应，波速能够有效反映岩体结构信息，缺陷越大，依据波速分析岩体结构的效果越好，因此可以利用应力波波速分析岩体中大尺度结构面(破碎带、断层等)。目前，主要采用声时、波幅、频率三个参数进行超声检测和探测，已建立定量或半定量数学表达式，运用这些研究成果进行工程物探时也取得了非常大的成绩。但岩体节理具有尺度小和力学特性复杂的特点，常规的测试技术有待改进。影响应力波在岩体节理传播规律的因素较多，如节理的物质成分、粒度级配、含水率、孔隙比、干密度等，另外还受到夹层的宏微观组构、地应力和地下水等地质环境的影响，因而难以依据某一波形参数反映力学特性复杂的岩体节理。应力波在岩体节理的传播过程中，不同频率的应力波对节理的感应程度不同，但其影响程度可以归纳为应力波的振幅谱和相位谱变化。应力波的振幅谱和相位谱变化，最终体现在应力波的波形变化，应力波的声时、波幅和频率仅从某些方面揭示了应力波传播规律，因而波形能够综合反映应力波传播规律。通过理论和试验研究表明子波波形变化比走时对断层的反应更为敏感，充分反映了波形变化规律在岩体力学参数测试和岩体结构探测方面的优势。
【发明内容】
[0005]本发明目的是提供一种岩体节理刚度的全波形信息测试方法，结构面对岩体力学特性具有控制作用，准确获取岩体节理的法向刚度和切向刚度对岩体工程的设计、施工、稳定性评价和岩体加固具有重要意义。
[0006]本发明的技术方案:一种岩体节理刚度的全波形信息测试方法，包含测试步骤和数据分析步骤:
[0007]A、测试步骤
[0008]第一步:测试试验区域岩块的物理力学参数
[0009]弹性模量、泊松比和密度；在试验区域选择有代表性的岩块，加工成标准岩样，用岩石试验机测试岩石的力学参数，米用常规方法测试岩块的密度。
[0010]第二步:测试节理法向和切向刚度
[0011]沿待测试节理走向，选择能够反映节理力学特性的试验区段，试验区段要求表面相对平整；在试验区段布置2-5条测线，为保证测试精度，所有测线的入射角度不大于65° ;对测线进行编号，第I条测线与节理垂直，即入射角为0°，随测线编号增加，入射角增加，所有测线汇交于一点，该点为振源处，即施加冲击载荷的作用点；沿每条测线，在节理两侧布置两个二分量传感器，一个分量平行节理走向布置，另一个分量垂直节理走向布置，以下简称在振源方向的半侧为入射侧，简称另一侧为透射侧，传感器与节理的距离为10-30cm，在入射侧和透射侧布置的传感器与节理距离相同；冲击载荷产生的振动为振源，振源处与节理间的距离为0.5-2.0m，节理两侧岩体的微裂隙越发育，距离越小；记录各传感器、振源和节理的位置坐标后，冲击载荷产生应力波，采用振动数据采集仪记录各传感器的振动波形。
[0012]B、数据分析步骤
[0013]建立子波在节理的时域传播模型，将透射波分解为子波，运用子波在节理的时域传播模型，计算入射侧入射波和反射波，基于入射侧的计算时域波形和实测时域波形匹配条件确定节理刚度，数据分析步骤如下。
[0014]第一步:建立子波在节理传播的时域分析模型
[0015]采用弹簧模型描述节理变形，设结构面节理两侧应力连续，位移不连续量等于应力与节理刚度之比，建立透射、反射波速度时域波形与入射波时域波形的微分方程组，P波入射时见关系式1，SV波入射时见关系式2，运用波形匹配追踪法得到各透、反射波形的解析解，实现了在时域上分析节理对应力波传播的影响，计算透射波和反射波的时域波形。
[0016]关系式1:
[0017]
【权利要求】
1.一种岩体节理刚度的全波形信息测试方法，其特征是:包含测试步骤和数据分析步骤: A、测试步骤 第一步:测试试验区域岩块的物理力学参数 弹性模量、泊松比和密度；在试验区域选择有代表性的岩块，加工成标准岩样，用岩石试验机测试岩石的力学参数，米用常规方法测试岩块的密度； 第二步:测试节理法向和切向刚度 沿待测试节理走向，选择能够反映节理力学特性的试验区段，试验区段要求表面相对平整；在试验区段布置2-5条测线，为保证测试精度，所有测线的入射角度不大于65° ;对测线进行编号，第I条测线与节理垂直，即入射角为0°，随测线编号增加，入射角增加，所有测线汇交于一点，该点为振源处，即施加冲击载荷的作用点；沿每条测线，在节理两侧布置两个二分量传感器，一个分量平行节理走向布置，另一个分量垂直节理走向布置，以下简称在振源方向的半侧为入射侧，简称另一侧为透射侧，传感器与节理的距离为10-30cm，在入射侧和透射侧布置的传感器与节理距离相同；冲击载荷产生的振动为振源，振源处与节理间的距离为0.5-2.0m，节理两侧岩体的微裂隙越发育，距离越小；记录各传感器、振源和节理的位置坐标后，冲击载荷产生应力波，采用振动数据采集仪记录各传感器的振动波形； B、数据分析步 骤 建立子波在节理的时域传播模型，将透射波分解为子波，运用子波在节理的时域传播模型，计算入射侧入射波和反射波，基于入射侧的计算时域波形和实测时域波形匹配条件确定节理刚度，数据分析步骤如下: 第一步:建立子波在节理传播的时域分析模型 采用弹簧模型描述节理变形，设结构面节理两侧应力连续，位移不连续量等于应力与节理刚度之比，建立透射、反射波速度时域波形与入射波时域波形的微分方程组，P波入射时见关系式1，SV波入射时见关系式2，运用波形匹配追踪法得到各透、反射波形的解析解，实现了在时域上分析节理对应力波传播的影响，计算透射波和反射波的时域波形； 关系式I:
2.根据权利要求1所述的一种岩体节理刚度的全波形信息测试方法，其特征是:最佳的的测试步骤和数据分析步骤如下: A、测试步骤 第一步:测试试验区域岩块的物理力学参数，需要测试的力学参数有弹性模量、泊松比和密度；在试验区域选择有代表性的岩块，加工成标准岩样，用岩石试验机测试岩块的力学参数，采用常规的方法测试岩石的密度；通过取平均值的方法确定试验区岩块的弹性模量为24.06GPa，密度为2543kg/m3，泊松比为0.17 ； 第二步:测试节理的法向和切向刚度，沿待测试节理走向，选择能够反映节理力学特性的试验区段，试验区段要求表面相对平整；在试验区段布置4条测线，并对测线进行编号，4条测线的入射角分别为0°、20°、40°和60°，所有测线汇交于一点，该点为振源处，即施加冲击载荷的作用点；沿每条测线，在节理两侧布置两个二分量加速度传感器，用石膏粉将传感器粘结在试验区域的表面，一个分量平行节理走向布置，另一个分量垂直节理走向布置，以下简称在振源方向的半侧为入射侧，简称另一侧为透射侧，入射侧和透射侧的传感器与节理的距离均为15cm ;冲击载荷产生的振动为振源，振源处与节理间的距离为1.0m ;记录各传感器、振源和节理的位置坐标后，采用冲击载荷产生应力波，记录各传感器的振动波形；传感器参数为:电荷灵敏度10.427~14.091pC/mS_2，频响范围0.2~5kHz，谐振频率15kHz ;用人工敲击产生震动信号，振动波形经信号调理仪进行滤波处理后再采集，信号调理仪的参数设置为低通3kHz，总采样率为500kHz ;所使用的振动采集仪为北京东方振动与噪声技术研究所生产的INV306振动采集仪； B、数据分析步骤 第一步:建立子波在节理传播的时域分析模型 采用弹簧模型描述节理变形，设结构面节理两侧应力连续，位移不连续量等于应力与节理刚度之比，建立透射、反射波速度时域波形与入射波时域波形的微分方程组，P波入射时见关系式1，SV波入射时见关系式2 ;运用波形匹配追踪法得到各透、反射波形的解析解，实现了在时域上分析节理对应力波传播的影响，计算透射和反射的时域波形； 关系式I:
【文档编号】G01N29/44GK103792289SQ201410050277
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2014年2月14日
【发明者】王观石, 胡世丽, 龙平, 王星光, 李志文 申请人:江西理工大学