应力条件下含缺陷岩体中弹性波传播的研究

摘要

弹性波测试技术是采矿工程、地质勘探、地震探测和水利隧道工程等诸多领域常用的技术之一。弹性波在岩体中的传播不仅受到内部结构的影响，还与其所处的应力场息息相关。所以在实际工程中，考虑应力场对弹性波波速和衰减的影响是十分必要的。本文结合理论和实验，研究了岩体内缺陷边界应力和岩体外载荷作用与弹性波的联系。
　　本文首先进行了载荷作用下三种不同复杂介质的不同频率声波的测试，揭示了弹性波在含不同内部结构的介质中的传播规律。利用EPS混凝土模拟含孔洞的岩体，研究了孔洞尺寸和含量对弹性波波速的影响;通过钢纤维增强水泥砂浆的声波实验，探讨了声波在既含孔洞又有夹杂的介质中传播的规律。同时，引入了一种相对波速的方法揭示了波速与频率和载荷的关系;基于泡沫铝压缩过程中孔洞变形易于观察的特性，应用数字图像相关方法得到全场应变，然后使用weibull分布函数进行拟合，将weibull参数和波速变化相联系，建立了孔洞-应力-波速三者间的关系。
　　基于单椭圆裂纹模型，引入缺陷内边界应力条件，模拟岩体中存在不同缺陷内含物的情况。根据应力是否随裂纹张开位移改变，将内边界应力条件分为等应力边界条件和等刚度应力边界条件，应用模型计算研究了不同应力边界下弹性波速和衰减的规律。发现等应力作用只影响低频区的波速和衰减，使低频区波速产生频散;等刚度的应力作用时，低频区、瑞利散射区和共振散射区的波速和衰减都受到影响。
　　通过在主裂纹附近配置一个与之成特定方向位置的次裂纹，考虑两裂纹间相互作用，建立了能够考虑部分多重散射效应的双椭圆裂纹缺陷模型。发现当两裂纹距离越近，多重散射效应越强，频散越弱;当裂纹间距离很远时，“双缺陷”模型计算结果和单次散射一致，说明孔隙度很低时，裂纹间多重散射能够忽略不计。同时，研究了岩体的孔隙度、缺陷尺寸等与工程实际相关的参数对弹性波传播的影响。最后，在“双缺陷”模型中引入了缺陷内边界应力条件，研究了不同缺陷内含物与弹性波之间的联系。
　　最后，利用两种方法对载荷下钢纤维增强水泥砂浆中声波波速进行了模拟研究。在细微观上，考虑孔洞和波的相互作用，运用双椭圆裂纹模型结合B-B模型的形式进行了模拟。结果较好地反映了波速与载荷的关系，低频率下的模拟结果与实际相符，但高频率下的波速有一定偏差，针对这种偏差提出了相应的修正方法。在宏观上，从等效介质的角度考虑，通过胶结模型和未胶结模型结合的形式，并引入一种半理论公式对波速随载荷的变化进行了模拟研究，结果能较好的反映波速和载荷变化的趋势。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 岩体应力状态与弹性波联系

1．2．1 岩体地应力构成和影响因素

1．2．2 弹性波与地应力的联系

1．3 描述岩体中频散的经典理论

1．3．1 等效介质理论

1．3．2 射线理论

1．3．3 两种理论的适用性讨论

1．4 岩体中应力对弹性波传播的影响

1．4．1 孔隙压力的影响

1．4．2 外载荷的影响

1．5 本文研究目的和主要工作

参考文献

第二章 载荷作用下复杂介质中声波的传播研究

2．1 引言

2．2 载荷作用下的声波实验

2．2．1 实验装置和步骤

2．2．2 实验试样制备和统计

2．2．3 实验波形及波速确定方法

2．3 EPS混凝土实验结果分析

2．4 钢纤维增强水泥砂浆的波速分析

2．4．1 波速与载荷的关系

2．4．2 相对波速与压力的关系

2．5 泡沫铝实验结果分析

2．5．1 波速随载荷变化

2．5．2 泡沫铝全场应变

2．5．3 特征应变和weibull模量与波速的联系

2．6 本章总结

参考文献

第三章 边界应力下单椭圆裂纹模型讨论

3．1 引言

3．2 边界条件下的单椭圆裂纹模型

3．2．1 基本理论

3．2．2 单椭圆模型

3．3 边界条件的引入

3．3．1 均匀应力分布边界条件

3．3．2 等刚度系数的边界条件

3．4 边界条件下的计算结果分析

3．4．1 均匀应力分布边界条件的结果分析

3．4．2 等刚度系数边界条件的结果分析

3．5 本章总结

参考文献

第四章 考虑多重散射效应的双椭圆裂纹模型

4．1 引言

4．2 双椭圆裂纹模型

4．3 双椭圆模型讨论和参数研究

4．3．1 双椭圆裂纹模型可行性分析

4．3．2 裂纹结构特性参数影响研究

4．3．3 双椭圆裂纹特有参数的影响

4．4 边界条件的引入

4．4．1 边界应力随位移不改变的情况

4．4．2 边界应力随位移改变的情况

4．5 本章总结

参考文献

第五章 载荷作用下复杂介质中波速的模拟计算

5．1 引言

5．2 双椭圆裂纹模型对载荷下复杂介质中波速变化的模拟

5．2．1 B-B模型

5．2．2 波速随裂纹闭合的变化规律

5．2．3 钢纤维增强水泥砂浆的波速模拟

5．3 等效介质方法模拟计算

5．3．1 未胶结模型和胶结模型的简介

5．3．2 未胶结模型和胶结模型的结合

5．3．3 载荷下钢纤维增强水泥砂浆波速的模拟分析

5．4 本章总结

参考文献

第六章 全文总结和展望

6．1 应力条件下岩体中弹性波传播研究的工作总结

6．2 本文的创新点

6．3 进一步工作的展望

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文