节理岩体变形参数波动法测试及黏性系数非定常特性

摘要

为快捷获取岩土体岩性参数，在德兴铜矿、双旗山金矿采空区选取岩体发育较好、岩性完整的边坡面进行波动法现场测试，研究应力波在节理岩体中的传播规律，基于波形变化测试岩体变形参数，并与钻孔弹模仪的测试结果进行比较，研究结果如下：
　　（1）将节理面视为Kelvin黏弹性介面，考虑节理质量对应力波传播的影响，运用波的位移位函数得到谐波在厚黏弹性节理的透、反射系数计算公式，采用波形相关系数描述子波穿过黏弹性节理的波形变化，讨论具有一定厚度的黏弹性节理采用位移不连续模型计算的适用条件。设厚黏弹性节理模型和位移不连续模型的透射波波形相关系数为0.9时对应的节理厚度为临界厚度。采用简化的位移不连续模型描述岩体节理面，基于波形变化系数最小的原则，确定节理面力学参数行之有效的方法。岩体与节理的阻抗比对临界厚度的影响很小；临界厚度随子波中心频率增大成负指数减小；入射角越大，临界厚度随中心频率减小得越慢。当节理厚度为0.03m时，采用位移不连续模型和厚黏弹性模型计算得到节理力学参数非常接近；随节理厚度和子波中心频率增加，运用位移不连续模型的计算结果偏差越大。实验结果与理论分析是一致的。
　　（2）岩体黏滞性作用对应力波传播影响主要体现为速度频散和幅值衰减两方面。前者体现为应力波传播相速度因频率而变化，将岩体视为Kelvin黏弹性介质，运用傅立叶级数对测点实测波形进行展开，根据应力波传过黏弹性岩体时相位的变化特征，来研究相速度的频散特性。其中，级数展开时，谐波次数对波形分解影响极大，取n=300足够满足计算需要。假设介质黏性系数非定常的表达：η=a0f q，基于P波的传播规律计算得到参数a0=1007600，q=0.136，当频率f=300Hz时，计算得到黏性系数η=2.189MPa?s；基于SV波的传播规律计算得到参数a0=702861，q=0.321，当频率f=300Hz时，计算得到黏性系数η=4.386MPa?s。
　　（3）将岩体介质视为Kelvin半无限体，根据应力波黏性衰减理论，拟合P波振幅随传播距离的衰减系数，计算得到岩体弹性模量为E=3.27GPa；拟合SV波振幅随传播距离的衰减系数，计算得到岩体弹性模量为E=3.22GPa；采用钻孔弹模仪测试得到岩体弹性模量为2.46GPa，动力法测试岩体弹性模量是静力法1.33倍。假设介质黏性系数非定常的表达：η=a0f q，基于P波的传播规律计算得到岩体黏性系数初值a0=7341，陡度参数q=0.509；基于SV波传播规律计算得到初值系数a0=315000.8，陡度参数q=0.249。

目录

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

1.4技术路线

第二章 位移不连续模型在黏弹性节理刚度计算的应用

2.1 谐波在黏弹性节理的传播模型

2.2 黏弹性节理透射子波的计算

2.3 临界厚度的变化规律

2.4 位移不连续模型应用实例

2.5 本章小结

第三章 应力波传播速度频散特性与黏性系数的计算

3.1节理岩体中应力波速度频散特性

3.2 应力波在节理岩体中的速度频散特征

3.3节理岩体的非定常黏性系数计算

3.4 本章小结

第四章 岩体黏性系数非定常数特征与弹性模量的计算

4.1 谐波在自由界面处反射特性

4.2 自由界面处波形分离

4.3 黏性系数非定常特征

4.4 本章小结

第五章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

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