一种应力作用条件下岩石纵波波速与衰减的计算方法技术

本发明专利技术提供了一种应力作用条件下岩石纵波波速与衰减的计算方法，包括：获取岩石介质应力应变曲线；获取岩石的初始空隙度；获取岩石的骨架和空隙弹性模量；推导得到应力作用条件下的岩石纵波波速与频域衰减系数的理论表达式；获取岩石在不同应力水平下的超声纵波波速与波形数据；计算得到岩石波速随应力变化的函数关系式；计算得到不同应力水平下波形在岩石传播中的理论衰减系数，完成岩石纵波波速与衰减的计算。本发明专利技术为岩石纵波波速与衰减的应力相关性提供了有效的理论支撑，解决了传统模型细观参数难以界定以及动静耦合性较差的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种应力作用条件下岩石纵波波速与衰减的计算方法


[0001]本专利技术属于岩石物理
，尤其涉及一种应力作用条件下岩石纵波波速与衰减的计算方法。

技术介绍

[0002]岩石的纵波波速与衰减作为波在岩石中传播性质的重要表征，能够有效反映岩石的内部结构信息，在工程岩体分级评价以及岩石声发射信号解析等工程、
具有十分重要的应用价值。以岩石纵波波速为例，在现行BQ工程岩体分级体系中，岩体完整性系数被定义为岩体与岩石纵波波速之比的平方，岩体的结构面越少、完整性越好，其比值越接近1。由于纵波波速受应力影响较大，且现场岩体波速通常在现场地应力条件下测量得到，而岩石波速则通常在无应力状态下测得，二者的应力水平差异往往使得在实际工程勘验中出现岩体波速大于完整岩石波速的不合理局面。由此可见，准确描述刻画岩石纵波波速随应力变化关系，能够对岩体完整性系数提供有效修正，为地下工程岩体的分级评价与施工安全管理提供可靠的判定依据；声发射信号作为岩石内部微破裂的重要表征被广泛应用于岩石的损伤演化研究当中。已有研究大都考虑从振铃次数、事件数等声发射特征参数的角度对应力作用下的岩石破坏损伤进程进行刻画，从而忽略了声发射频域波形所携带的大量有效信息。针对此，现有技术提了出以声发射信号的频域波形为主要研究对象，提出了岩石破裂的双主频机制，为岩石声发射信号的解析判识提供了新的有效思路。但需要明晰的是，经由声发射传感器接收到的信号已然是经过岩石介质衰减后的波形，难以全面反映岩石的原始破裂信息，而本专利技术所提供的岩石波传播衰减模型能够在全频域对声波信号进行反演，为开展岩石声发射信号的原始解译工作提供有效的技术支持手段。
[0003]已有实验研究表明，岩石的波传播性质对于岩石应力状态的变化较为敏感，根据岩石波速与衰减随应力变化特性，研究者提出了一系列经验模型对实验数据进行拟合，如针对岩石应力波速的二次函数模型和指数函数模型，模型取得了较为理想的拟合效果，但其不足之处在于模型参数不具备实际物理意义，难以根据岩石物理力学性质对模型参数进行标定取值，缺乏有效的理论支撑。
[0004]等效介质理论作为研究孔隙岩石波传播特性的另一主要手段，受到了学界的广泛关注。该方法主要从岩石介质的细观层面上研究岩石孔隙形状、孔隙纵横比以及孔隙密度等孔隙参数对于岩石弹性性质的影响，能够有效反映岩石孔隙结构对于岩石波传播特性的影响，但考虑到岩石介质的细观参数纷繁复杂且难以界定，如矿物颗粒弹模、孔隙半径、孔隙纵横比、孔隙密度等参数均难以通过常规实验手段进行测量，模型的发展应用因此受到了较大程度的限制。不仅如此，基于Mori
‑
Tanaka等效介质理论分别根据岩石的静力学测试以及波速测试对岩石介质中的孔隙密度与孔隙纵横比进行拟合标定，结果显示模型在动、静力学条件下标定得到的孔隙参数存在较大差异，模型的动静耦合性较差。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种应力作用条件下岩石纵波波速与衰减的计算方法，为岩石纵波波速与衰减的应力相关性提供了有效的理论支撑，并且解决了传统模型细观参数难以界定以及动静耦合性较差的问题。
[0006]为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]本方案提供一种应力作用条件下岩石纵波波速与衰减的计算方法，包括以下步骤：
[0008]S1、根据单轴压缩测试，获取岩石介质应力应变曲线；
[0009]S2、根据岩石介质应力应变曲线，获取岩石初始空隙度；
[0010]S3、根据岩石的初始空隙度以及切线模量，获取岩石的骨架和空隙弹性模量；
[0011]S4、根据岩石的骨架和空隙弹性模量，利用应力应变假设推导岩石波传播模型M_H
‑
K，并根据岩石波传播模型M_H
‑
K，得到应力作用条件下的岩石纵波频散波速与频域衰减系数的理论表达式；
[0012]S5、获取岩石在不同应力水平下的超声纵波波速与波形数据；
[0013]S6、基于岩石纵波频散波速的理论表达式，对超声纵波波速随应力变化的离散数据进行参数拟合分析得到岩石骨架和空隙动态硬化系数，并根据岩石骨架和空隙动态硬化系数，得到岩石波速随应力变化的函数关系式，完成岩石纵波波速的计算；
[0014]S7、根据频域衰减系数的理论表达式、波形幅值衰减特征以及信号传播衰减距离，对超声波形数据中的接收波形进行拟合得到不同应力下岩石骨架粘度，并计算得到不同应力水平下波形在岩石传播中的理论衰减系数，完成岩石衰减的计算。
[0015]本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术不仅充分考虑了岩石在应力作用条件下的孔隙压密特征以及动态瞬时响应特性对于岩石波速与衰减的影响，而且具有模型参数较少、模型参数易于标定以及物理意义明确等优点，能够准确地反映不同应力作用下纵波在岩石介质中的传播速度以及衰减特征，为后续声发射信号的反演提供技术与方法。
[0016]进一步地，所述步骤S1中岩石介质应力应变曲线包括岩石骨架静应变和岩石空隙静应变；
[0017]所述岩石骨架静应变的表达式如下：
[0018][0019]其中，ε
hs
表示岩石骨架静应变，Δl
h
表示岩石骨架长度变化量，表示岩石骨架部分初始长度，E1表示岩石骨架弹模，σ
s
表示岩石所受静应力，h表示岩石骨架部分参数；
[0020]所述岩石空隙静应变的表达式如下：
[0021][0022]其中，ε
vs
表示岩石空隙静应变，Δl
v
表示岩石空隙长度变化量，表示岩石空隙部分初始长度，E2表示岩石空隙弹模，v表示岩石空隙部分参数。
[0023]上述进一步方案的有益效果是：本专利技术将岩石模型概化为岩石骨架和空隙两个部分，并假定岩石空隙遵循非线性弹性变形特征，能够有效反映应力作用下空隙压密对于岩
石力学特征(如切线模量)的影响。
[0024]再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
[0025]S201、根据岩石总弹性静应变，将岩石空隙部分与岩石的轴向长度之比作为岩石初始空隙度的定义；
[0026]S202、引入图解法，基于岩石介质应力应变曲线弹性直线段的延长线在应变轴上的截距，获取岩石初始空隙度。
[0027]再进一步地，所述岩石总弹性静应变表达式如下：
[0028][0029][0030]其中，ε
rs
表示岩石总弹性静应变，l表示岩石初始总长度，φ0表示岩石初始空隙度。
[0031]上述进一步方案的有益效果是：本专利技术以岩石应力应变曲线为依据，引入图解法对岩石的初始空隙度参数进行获取，该参数率定方法简单直观且物理意义明确，能够有效降低模型参数的率定复杂度，为切线模量的拟合提供预定义模型参数，尽量避免拟合参数的不唯一性。
[0032]再进一步地，所述切线模量的表达式如下：
[0033][0034]其中，E'表示岩石切线模量，E1表示岩石本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应力作用条件下岩石纵波波速与衰减的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据单轴压缩测试，获取岩石介质应力应变曲线；S2、根据岩石介质应力应变曲线，获取岩石初始空隙度；S3、根据岩石的初始空隙度以及切线模量，获取岩石的骨架和空隙弹性模量；S4、根据岩石的骨架和空隙弹性模量，利用应力应变假设推导岩石波传播模型M_H
‑
K，并根据岩石波传播模型M_H
‑
K，得到应力作用条件下的岩石纵波频散波速与频域衰减系数的理论表达式；S5、获取岩石在不同应力水平下的超声纵波波速与波形数据；S6、基于岩石纵波频散波速的理论表达式，对超声纵波波速随应力变化的离散数据进行参数拟合分析得到岩石骨架和空隙动态硬化系数，并根据岩石骨架和空隙动态硬化系数，得到岩石波速随应力变化的函数关系式，完成岩石纵波波速的计算；S7、根据频域衰减系数的理论表达式、波形幅值衰减特征以及信号传播衰减距离，对超声波形数据中的接收波形进行拟合得到不同应力下岩石骨架粘度，并计算得到不同应力水平下波形在岩石传播中的理论衰减系数，完成岩石衰减的计算。2.根据权利要求1所述的应力作用条件下岩石纵波波速与衰减的计算方法，其特征在于，所述步骤S1中岩石介质应力应变曲线包括岩石骨架静应变和岩石空隙静应变；所述岩石骨架静应变的表达式如下：其中，ε
hs
表示岩石骨架静应变，Δl
h
表示岩石骨架长度变化量，表示岩石骨架部分初始长度，E1表示岩石骨架弹模，σ
s
表示岩石所受静应力，h表示岩石骨架部分参数；所述岩石空隙静应变的表达式如下：其中，ε
vs
表示岩石空隙静应变，Δl
v
表示岩石空隙长度变化量，表示岩石空隙部分初始长度，E2表示岩石空隙弹模，v表示岩石空隙部分参数。3.根据权利要求2所述的应力作用条件下岩石纵波波速与衰减的计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：S201、根据岩石总弹性静应变，将岩石空隙部分与岩石的轴向长度之比作为岩石初始空隙度的定义；S202、引入图解法，基于岩石介质应力应变曲线弹性直线段的延长线在应变轴上的截距，获取岩石初始空隙度。4.根据权利要求3所述的应力作用条件下岩石纵波波速与衰减的计算方法，其特征在于，所述岩石总弹性静应变表达式如下：
其中，ε
rs
表示岩石总弹性静应变，l表示岩石初始总长度，φ0表示岩石初始空隙度。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨爽，邓建辉，陈菲，李化，赵思远，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：