超声波在类岩石材料裂隙扩展过程中的传播特性及应用

摘要

本文结合国家自然基金“基于超声相控阵探测的深部巷道围岩裂隙演化机理试验研究”（51404255）课题研究，以探求超声波在不同类型裂隙扩展过程中的声学参数变化规律，建立大尺度模型实验中裂隙识别和解释方法为研究目标。采用了“单轴加载-超声波测试-数字照相”联合测试分析及数值模拟相结合的研究手段，设计了单条倾角（QJ组）、双条平行岩桥（YQ组）、双条交叉（JC组）及平行多排（PS组）四组类岩石材料裂隙模型，利用RS-ST01C非金属超声检测仪测试并分析了超声波通过这些典型裂隙模型不同剖面时的波速、波幅、频率变化规律，并数值模拟了上述超声参数及能量（声压强度）的衰减规律。得到主要结论如下： （1）模型试件加载破坏过程中波速及波幅根据全应力应变曲线大致分为三个阶段。第一阶段为加载开始至峰前 0.65σc~0.9σc，该阶段波速和波幅保持在一个较为平稳的状态；第二阶段为峰前0.85σc至峰值应力σc处，该阶段试件开始萌生裂纹并迅速扩展、变形量加大，导致波速及波幅陡降，且无原生裂隙的完整试件由于裂纹扩展速率较缓慢，波幅陡降具有明显滞后现象；第三阶段为残余强度阶段，波速及波幅持续降低至突变（无法采集）。 （2）在模型试验过程中变形损伤累积的第二阶段，试件内部裂隙发展受早期原生裂纹诱导，裂纹萌生情况及表面变形量对波速及波幅变化特性影响显著。但当裂隙发展方向与测试方向一致时（0o），裂隙试件表面裂纹萌生模式为共轭张拉裂纹，萌生裂纹的对称性导致应力达到峰值应力时不同测试路径上波速及波幅降低幅度相近，因此在该应力状态下利用超声波测试技术探测岩体内部此类裂隙容易漏判。 （3）获得了不同裂隙倾角、岩桥间距等典型裂隙模型的变形破坏特征及相应的超声传播与衰减特性。回归分析了零应力条件和加载峰值两种状态下波速、波幅与初始裂隙参数关系（倾角β、岩桥长度b、交叉角度γ和裂隙排数s）的线性或指数关系。通过岩体变形破坏过程中的前、后声学特性关系，获得了部分识别典型裂隙的超声参数反向解释方法。 （4）根据全应力-应变曲线进行的三阶段的声学参数刻画，结合PhotoInfor数字照相变形量测技术分析获得的试件局部变形特征，分析了现有无损探测仪器在模型实验过程中不同阶段的参数设定范围及调整方法。 （5）利用Comsol数值模拟软件，进一步分析和验证了声波参数与裂隙参数的相关性。通过回归分析超声波波幅透射系数、能量传播（声压极大值）与不同裂隙参数之间的公式，结合模型实验的典型裂隙传播特性及反向解释方法，为建立大尺度模型实验中裂隙识别方法奠定良好基础及重要的参考。

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