岩体节理多参数反演的反射波法研究

摘要

节理对岩体强度和稳定性有重要的影响,其影响程度直接与节理的几何参数和力学参数相关,包括节理的走向、倾角、位置、厚度、刚度、强度等。如何确定隐伏节理的特征参数,一直以来是岩体工程界关心和亟待解决的关键技术问题。目前岩体工程波动法测试中在对测试信号的解释和分析时往往只单一考虑波速、振幅衰减或频谱特点,使得节理波动探测成本高或是精度低,且获得的参数少。因此通过综合、深入分析节理反射信号,反演节理多个特征参数的研究无疑具有重要的理论意义和工程实用价值。垂直节理面入射应力波在节理内往返共线传播,向波源点发出多次回波,引起波源点的振动变化,根据正弦波形函数和Snell定律推导出各次回波的振幅与节理特征的关系式,据此建立节理多参数反演反射法理论模型。为接收到最理想的垂直节理面回波信号,需事先采用反射波反演出节理产状。从地表发出的应力波,经节理面反射后回到地表面,根据解析几何中点、线、面的关系,推导出节理面反射波走时,得出地表反射波等走时圆公式,从而建立起由测点反射波走时反演节理产状的理论模型。室内模型试验中,砂浆模拟岩石,湿砂层模拟节理,测试面(模型上表面)与节理面斜交,中心布置发射探头,接收探头四周布置,受面波、直达波干扰,无法直观判断出接收信号中反射波初至时刻,通过复信号分析可得到信号的瞬时信息,由瞬时频率能有效判断反射波初至时刻,得到五个测点处反射波走时。在MATLAB平台上编制程序,由测点走时搜寻出等走时圆圆心,进而得到节理面真倾向及倾角值,反演结果与模型设计值相差较小。另一个模型试验中测试面与节理面平行,采用垂直反射法测试(接、发探头并排微小间距摆置)。对测试信号作复信号分析,瞬时频率能清楚地显示出了各次回波的初至时刻;频谱分析表明测试信号中含有两个主频,分别对应发射探头的发射主频与测试面自振频率(采用ANSYS有限元程序作半空间体模态分析加以验证);采用Littlewood-Paley小波改造的带通滤波器分别滤出两个主频信号,滤出的信号均能反映出接收信号随各次回波的传至的变化规律。为从测试信号中提取出零次回波,采用Duhamel积分计算出探头发射信号激励下测试面的受迫振动,该受迫振动沿表面传播形成面波、直达波,借助于Laplace变换和Hankel变换可模拟出表面振动,受迫振动向下传播形成节理入射波,以该受迫振动的波形作为零次回波的波形,以测试信号消除零次回波后瞬时频率标准差最小作为评判标准,在MATLAB平台上编程搜寻出局部最小值,确定出零次回波的振幅值。提取零次回波的方法不适用于提取一次、二次回波,一方面是因为后至回波振幅减小,另一方面是因为应力波穿过节理层时衰减滤波,波形发生了变化。通过Hilbert变换可得到测试信号(一维)的平面迹线(二维),测试信号中只含有两个频率成分,视为双频信号,双频信号的平面迹线相当于两连杆绕平行轴转动时外杆杆端迹线,利用理论力学中运动合成和瞬心知识,推导出双频信号平面迹线步长平方满足余弦线性复合函数,而迹线转角可视为线性变化,据此可对回波到来之前的测试信号平面迹线作延长,得到一定长度的信号延展段,信号延展段与实测段作差可得到一次、二次回波的第一个波峰值。在得到各次回波第一个波峰值后,代入已建立的节理多参数反演理论模型,求出模型实验中节理的厚度、品质因子、波速等,较好地实现了多参数反演。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 岩体节理参数反演研究概述

1.1.1 节理在岩体工程中的重要性

1.1.2 岩体工程测试技术

1.1.3 节理波动反演研究现状

1.2 岩土工程波动检测技术与地震勘探法

1.2.1 桩基完整性应力波检测反射波法

1.2.2 浅层地震勘探反射波法

1.2.3 地层物性的面波勘察

1.3 本文的研究目的、研究内容及技术路线

1.3.1 本文的研究目的

1.3.2 本文的研究内容

1.3.3 本文的研究技术路线

2 基于垂直反射波的岩体节理多参数反演理论

2.1 应力波在节理中的传播

2.2 波垂直节理面入射产生的各次回波

2.3 波源处的振动组合

2.4 节理多参数反演

2.4.1 反演依据与目标

2.4.2 反演原理

2.4.3 反演步骤

2.4.4 模拟振动的反演结果

2.5 本章小结

3 岩体节理产状反演理论

3.1 石油地震勘探确定倾斜层产状

3.1.1 反射波时距曲面方程的建立

3.1.2 倾斜层的反射波倾角时差与倾角反演

3.2 岩体节理反射波走时公式推导

3.2.1 反射波走时的一般公式

3.2.2 坐标轴旋转与走时公式变换

3.2.3 地面接收反射波等走时圆

3.3 岩体节理产状反演

3.3.1 圆心搜寻与评判函数构造

3.3.2 Matlab 平台编程

3.3.3 反演结果

3.4 本章小结

4 模型试验与反射波测试

4.1 试验设计与模型制作

4.2 测试仪器

4.2.1 仪器简介及操作设置

4.2.2 探头发射信号标定

4.3 斜节理模型测试方法与测试结果

4.3.1 测试方法

4.3.2 测试结果

4.4 平节理模型测试方法与测试结果

4.4.1 测试方法

4.4.2 测试结果

5 斜节理反射波初至时刻判断与产状反演

5.1 反射波初至时刻判断的意义

5.2 Hilbert 变换与复信号分析

5.2.1 Hilbert 变换

5.2.2 复信号分析技术

5.2.3 复信号分析与反射波识别

5.3 测试信号复信号分析

5.3.1 复信号分析结果

5.3.2 复信号分析效果评价

5.4 节理产状反演

5.5 本章小结

6 平节理反射波提取与物性参数反演

6.1 频谱分析与小波分析

6.1.1 频谱分析

6.1.2 小波分析

6.1.3 L-P 小波分析与带通滤波

6.2 测试信号的综合分析

6.2.1 测试信号的复信号分析

6.2.2 测试信号的频谱分析

6.2.3 测试信号的小波分析

6.3 半空间体的有限元模态分析

6.3.1 特征值问题基本方程及其解法

6.3.2 有限元模型的建立

6.3.3 有限元分析结果

6.4 半空间体受迫振动及振动表面传播

6.4.1 发射信号激励下半空间体受迫振动

6.4.2 振动表面传播

6.5 零次回波提取

6.5.1 波形确定

6.5.2 提取方法

6.5.3 提取结果

6.6 信号延展与一次、二次回波提取

6.6.1 刚体绕两平行轴转动的合成

6.6.2 双频信号的平面迹线

6.6.3 信号延展与一次、二次回波提取

6.6.4 节理参数反演

6.7 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.1.1 论文创新点

7.1.2 其它成果

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 博士生在读期间发表论文目录

B. 获奖情况