岩体节理刚度的全波形信息测试方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种，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】
本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种，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。本专利技术的技术方案:一种，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1:【权利要求】1.一种，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，采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1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1：关系式2：关系式1和关系式2中，vP、vRP、vRS、vTP、vTS分别为入射P波、反射P波、反射SV波、透射P波、透射SV波的速度时域波形；ρ1和ρ2分别为入射侧岩块和透射侧岩块的密度；cP1、cS1分别为入射侧岩块的P波和SV波相速度；cP2、cS2分别为透射侧岩块的P波和SV波相速度；t为时间；φ为入射角和P波的反射角；为SV波的反射角；φ′为P波的透射角；为SV波的透射角；Kt为结构面切向刚度；Kn为结构面法向刚度；第二步：子波分解透射波（1）分解透射侧的振动波形得到透射P波和透射SV波，透射侧的传感器记录了透射侧的平行节理走向和垂直节理走向的振动波形，根据应力波传播方向与振动方向的关系，通过波场分解得到透射P波和透射SV波，波场分解的公式见关系式3；关系式3：api(t)=ayi(t)cosθi+axi(t)sinθiasi(t)=axi(t)cosθi-ayi(t)sinθi]]>关系式3中，api(t)和asi(t)分别为第i个传感器所在位置的P波和SV波的时域波形；axi(t)和ayi(t)分别第i个传感器所记录x和y方向的时域波形，其中x和y分别表示沿节理坐向和垂直节理坐向的坐标，θi为第i个传感器所在测线与第一条测线的夹角；（2）建立子波库，选择能够有效反映应力波在节理传播特性的子波基，引入时移因子和尺度因子，建立子波库，子波库为m×n的矩阵，其中m为矩阵的行数；n为矩阵的列数，通过时移因子和尺度因子合理的取值，保证子波在时域和频域上能够覆盖待分解信号；本专利技术采用Ricker子波为子波基建立子波库，Ricker子波的时域表达式见关系式4；关系式4：aR(t)=(1-2π2fM2t2)exp(-π2fM2t2)]]>关系式4中，fM为峰值频率，在关系式4中引入时移因子q和尺度因子p，建立Ricker子波库，引入时移因子和尺度因子后的子波函数见关系式5；关系式5：uR(t)=[1-2π2fM2(t-qjpj)2]exp[-π2fM2(t-qjpj)2]]]>（3）将透射P波分解为子波系列，将待分解信号与子波库做内积得到子波系数，子波系数最大的子波确定为最优子波，计算待分解信号与最优子波之差得到剩余信号，将剩余信号与子波库做内积，确定第二个最优子波，以此类推，当满足误差要求时，结束寻找最优子波，由此确定透射P波的子波系列；（4）将透射SV波分解为子波系列，按照透射P波分解为子波的方法，分解SV波，得到透射SV波的子波系列；第三步：计算入射波和反射波的子波系列数据分析步骤中第二步分解得到的透射P波和透射SV波的子波系列，根据数据分析步骤中第一步所建立的应力波在节理传播的时域分析模型，分别计算与透射P波子波系列对应的入射波子波系列和反射波子波系列；分别计算与透射SV波的子波系列对应的入射波子波系列和...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王观石，胡世丽，龙平，王星光，李志文，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西;36