砂岩波速与应力状态相关关系研究

地下工程开挖破坏原岩应力平衡,岩石发生变形甚至破坏。围岩应力状态是地下工程监测的重要项目之一,声波检测技术可以弥补许多原位测试的弊端。通过对某隧道围岩进行室内单轴压缩试验与声波检测,发现:P波波速变化与应力变化存在较好的一致性,峰前阶段,P波波速随应力的增大而增大,峰后阶段,P波波速随应力的减小而减小;在屈服以前,P波波速、S波波速与应力之间存在一定的正相关关系,P波波速、S波波速与应力之间存在一定的指数关系; S波与P波波速之间的比例(ξ)存在明显的阶段性(两个阶段),阶段分界点为峰值应变(应力)。     

低孔低渗砂岩加载条件下的声波传播特性 实验研究

 以低孔低渗砂岩在不同围压条件下的岩石力学测试实验及力学实验过程中岩石纵、横波时差和波形等的采集实验为基础,研究低孔低渗砂岩在三轴和单轴加载过程中声波波速、幅度、频谱特性的变化特征。研究发现：(1) 低孔低渗砂岩的声波纵、横波速及频谱特性随岩石变形和破坏的阶段变化而变化。在岩石中裂隙、孔洞压密阶段,纵、横波波速都快速上升;纵、横波速达到峰值时的轴向应力与岩石抗压强度的比值随孔隙度与渗透率乘积的增大而减小。(2) 声波纵、横波波形的变化与岩石的变形紧密相关。随着轴向载荷增大,岩石内部裂纹的产生和扩展,当岩石轴向应力为极限强度的60%左右时,横波波形末端出现明显的散射波信号。(3) 随着轴向载荷增大,岩石被压实,频谱曲线上的振幅呈增大趋势;随着岩石轴向载荷进一步增加,裂纹产生,频谱曲线上低频端较高频端活跃。(4) 岩石达到峰值强度前阶段,纵波首波振幅和频谱主振幅都表现出上升趋势,且弹性压缩阶段,首波振幅和频谱主振幅上升速率较快,裂纹不稳定扩展阶段,主振幅表现出比首波振幅低的上升趋势。低孔低渗砂岩加载过程中表现出来的声波传播特性的变化特征,对其内部裂缝动态变化的预测和稳定性评价都具有重要的指导意义。     

饱和砂岩在疲劳载荷作用下的黏弹性性质

 采用由法国引进的Metravib热机械分析仪,用正弦波加载方式,模拟地震波(行波)的传播,试验时固定静载为100 N,正弦波动载荷恒为60 N,将总载荷控制在屈服点以下;在温度为－50 ℃～125 ℃、升温速率保持在1 ℃/min、频率为5～90 Hz的条件下,对饱和泵油长石砂岩、彭山砂岩圆柱形样品进行单轴循环加载试验,求取饱和泵油长石砂岩和彭山砂岩波的能量衰减、虚模量、杨氏模量、弹性波速度与温度和频率的关系。以此研究饱和多孔岩石中行波的能量衰减和虚模量随温度的变化规律,取得行波随频率增高饱和多孔岩石的能量衰减峰和虚模量峰的峰位向高温方向移动、能量衰减峰和虚模量峰的强度增大的热激活弛豫规律,这种行波规律也是热激活弛豫机制引起。同时,获得饱和岩石的杨氏模量和弹性波速度对温度和频率的动态响应。杨氏模量和弹性波波速随温度升高而下降,随频率增高而增大,具有较明显的频散效应,随温度升高频散效应有减弱的趋势,取得与低频共振的驻波试验同样的热激活弛豫规律,说明热激活弛豫规律在饱和多孔岩石中具有一定的普适性。其结果是研究时温等效的试验和理论基础;同时该研究结果对岩石物理理论模型研究具有很好的指导意义,对现场地震波和声波测试结果和地震勘探资料的解释具有现实意义。     

液体对岩石非线性弹性行为的影响

 通过多种试验方法、多种频段对沉积岩、变质岩、火成岩进行干燥和有液体饱和状态的对比试验研究,得出低频时干燥岩石的衰减、色散小,相对饱和岩石而言可以忽略。饱和岩石具有衰减峰,其特征随饱和液体黏性而变化。在声频时,干燥岩石的应力–历史波形与饱和岩石相比差别较大。饱和液体的黏滞作用引起弥散和阻止卸载的后沿缓波,并随黏性增大而增强,体现了黏弹性材料特有的属性。全程s-e 曲线得到干燥岩石的强度大于饱和岩石,平行层理大于垂直层理的强度,具有各向异性。干燥岩石各向异性很弱,液体促进了饱和岩石各向异性的增强。低饱和度时,模量和波速随饱和度增大而降低;高饱和度时模量又随饱和度增大而增大;中等饱和度时,模量、波速基本不随饱和度变化。用PM模型中微观非经典单元在饱和液体的作用下易于被激活,导致PM空间对角密度增大,非线性增强的变化基本能解释上述试验的结果。液体对岩石非线性弹性行为的这些影响,从长期效应来看将会给重大岩石工程的安全带来隐患,必须引起足够的重视。     

饱和半空间中隧道衬砌对平面SV波的散射IBIEM求解

基于Biot两相介质理论,采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),研究了平面SV波在饱和半空间中隧道衬砌周围散射的基本规律,并给出了不同参数下地表位移幅值、衬砌动应力集中因子及表面孔隙水压分布图和相应的频谱结果。数值分析表明:饱和半空间隧道衬砌对SV波的散射特征取决于围岩介质孔隙率、入射波的频率和角度、隧道埋深等因素;隧道外壁透水状态对地表位移和隧道应力影响不大;不同角度SV波入射下,隧道应力集中部位有很大差别,且随半空间介质孔隙率增大,应力集中越发显著;衬砌外壁孔隙水压峰值可达到入射波应力幅值的4倍,且30°斜入射下幅值明显大于0°垂直入射情况;衬砌上方附近不同点位位移频谱特征差异显著,斜入射情况位移放大效应明显;随埋深增大,地表位移幅值和衬砌表面动应力谱振荡更为剧烈,但幅值会有所降低。另外,按波速比等效的单相介质模型可以近似计算SV波入射下隧道–饱和围岩的位移场和应力场。     

轴向静载对红砂岩中应力波传播特性的影响试验研究

由于开挖卸荷效应以及原岩应力的复杂性,围岩体承受的静应力大小具有动态变化特点。为了研究静应力大小对岩石应力波传播的影响,利用动静组合加载试验装置,对红砂岩长试件进行小扰动的应力波传播试验,试件轴向静应力分别设置为13个等级。通过应力波传播速度和幅值随传播距离、传播时间以及静应力的衰减规律,研究不同静应力条件下应力波的传播衰减特性。结果表明,相同轴压下,不同测点处应力波形状基本相同;不同轴压下,相同测点处应力形状变化较大,轴压越大,应力波尾部出现的拉伸波越大。随着轴向静应力的增加,岩石纵波波速呈"快速增加–平缓发展–急剧减小"的趋势,轴向静应力与单轴抗压强度之比?s/?c=30%和?s/?c=55%是其2个应力分界点。相同轴压下,应力波幅值随传播距离及传播时间都具有良好的指数关系;随着轴压的增加,空间和时间响应强度逐渐减小,幅值空间衰减系数和时间衰减系数呈"快速减小–平稳发展–急剧增大"的趋势。随轴压增加,相同测点处幅值随轴压衰减系数??s先减小后增大,离冲击端越近测点处的??s变化越敏感。     

用非强迫共振法研究饱和岩石的黏弹性响应

 通过Metravib热机械分析仪,用正弦振动对岩样进行加载,并以饱和岩石对正弦振动传播的黏弹响应,来模拟地震波在饱和岩石中传播时的黏弹性响应,以获取地震波在饱和岩石中传播时的黏弹行为。试验时固定静载为120 N,正弦波动载荷为80 N;在温度－40 ℃～100 ℃,频率5～400 Hz的范围内,对2种孔隙度的泵油饱和彭山砂岩样品进行单轴循环加载试验,以得到泵油饱和彭山砂岩的衰减、弹性模量、弹性波速度与温度的关系。由此研究饱和多孔岩石在弹性范围内的衰减、杨氏模量和弹性波波速随温度的变化规律。研究结果表明：随频率的增高,饱和多孔岩石的能量衰减峰的峰位向高温方向移动的热激活弛豫规律。利用阻尼衰减机制,解释了随振动频率提高,衰减峰的强度降低的试验结果。这些试验结果与低频共振的驻波试验得到的热激活弛豫规律一致,说明热激活弛豫机制在饱和多孔岩石中具有一定的普适性。与此同时,得到弹性模量和波速随温度升高而逐渐下降的一般规律,以及随频率的增高而增大的频散特性,但是样品的频散效应随温度升高有减弱的趋势。该频率和温度范围的研究结果对岩石理论模型研究具有指导意义,对地震资料的解释具有实用意义。饱和岩石的衰减研究对地震工程和勘探地球物理具有特殊的意义,尤其对勘探地热蒸汽库或天然气库有很好的实用价值。     

动载荷条件下波长对岩石试件破坏模式影响的数值模拟

简单运用岩石破裂过程分析RFPA系统研究了均匀与非均匀岩石试样杆在不同波长冲击载荷作用下的剥落过程。数值模拟较好地再现了均匀岩石试样杆在不同应力波波长条件下的不同破坏模式,且数值模拟结果与解析理论结果具有较好的一致性。并在此基础上,进一步研究了非均匀性岩石试样杆在不同波长的冲击载荷作用下的剥落形式及其与均匀岩石试样杆破坏模式的差异。结论表明:RFPA程序能够较好地模拟均匀与非均匀杆在不同应力波波长作用下发生剥落破裂的过程;试件破坏模式不仅与断裂的强度有关,还与作用在试件上的持续时间有关;试件的破裂不仅与应力波的峰值以及波长有关,而且还与岩石的非均匀性密切相关。     

层理角度对天然岩石材料动态断裂行为的影响研究

为了探究不同层理角度下岩石材料的动态断裂行为，利用分离式霍普金森压杆冲击加载系统，对3种直切槽半圆岩石试件开展30°，45°，60°，75°和90°层理角度梯度内的动态断裂冲击试验，研究3种岩石试件在不同层理角度条件下的应力波及能量传播规律、应力响应特征和动态断裂韧性。并结合DLSM数值模拟软件进行辅助分析，证明其模拟方法能够较好地应用于岩石动态断裂行为的研究，通过应力波传播图像和裂纹尖端应力场图像分析试件应力波的传递规律，解释动态断裂韧性随层理角度改变的机制。结合模型的动能和破坏曲线总结不同层理角度下岩石的破坏特征。结果表明：层理角度改变会影响层理面对应力波的有效反射面积，从而影响反射波和透射波的传递规律，造成各部分能量比值的变化。3种岩石具有不同的破坏特征，但其动态断裂韧性均受到层理角度的影响，在小层理角度时更容易发生预裂和张拉破坏，导致试件强度降低。模拟得到的应力波传播图像解释了不同层理角度应力波的透反射规律，而裂纹尖端应力场图像则反映了动态断裂韧性与试件内部是否发生提前破坏有关。随着层理角度的增大，试件断裂消耗的动能越大，其破坏更具有均匀性。     

锚杆锚固体系中的固结波速研究

 采用理论分析、数值模拟和实验室测试对不同锚固质量锚杆中的应力波在锚固段的传播速度进行分析。模拟试验中采用不同龄期的混凝土模拟不同锚固强度,数值模拟中通过改变弹性模量和泊松比实现改变锚固强度。数值模拟和试验模拟结果定性吻合;都显示锚杆中锚固段的应力波波速(固结波速)和锚固介质的强度直接相关,固结波速和锚固介质强度之间成抛物线关系。起初固结波速随锚固介质强度的增加而减少,到达最底点后随着锚固介质强度的增加而增加。用数值模拟结果对产生这种现象的本质原因进行分析讨论。模拟显示固结波速随锚固介质强度的变化是由锚杆中的P波以及锚杆和锚固介质界面处产生的界面波此消彼长而引起的。     

基于声弹理论的地应力超声测量方法

首先描述岩石的声弹理论,给出岩石的应力与弹性波波速之间的理论关系;其次利用岩石应力与弹性波波速之间的理论关系提出地应力超声测量方法,即通过测量套孔应力解除前后的孔壁超声波波速的变化,利用声弹理论反演出地应力。通过数值算例讨论地应力对孔壁超声波速的影响,其结果表明,该方法可以有效地确定地应力的大小和方向。     

高压水射流冲击速度对砂岩破坏模式的影响研究

 高压水射流冲击岩石会导致其发生结构破坏,不同的射流速度下,岩石呈现出各异的破坏形式。基于理论研究,分析水射流冲击岩石的应力波效应。选取速度分别为157,316,447,547,632,707和774 m/s的高压水射流开展冲击砂岩试验,分析不同射流速度下,砂岩内裂纹的数量、尺寸与形态。采用有限元法数值模拟了水射流破碎砂岩的过程,分析岩石内应力波的传播规律与裂纹的产生过程。研究表明：(1) 当射流速度大于72 m/s时,砂岩表面出现破碎坑和环形裂纹,前者由水锤压力的剪切作用导致,后者由瑞利表面波的拉伸作用导致;(2)当射流速度为300～700 m/s时,砂岩内部产生大量的横向裂纹并出现体积破碎,裂纹的产生主要由应力波产生的径向拉伸应力导致;(3) 当速度大于700 m/s时,砂岩产生的横向裂纹减少,主要以劈裂剪切方式破坏。     

应力波随机入射情况下均质岩石杆件断裂规律的理论分析

 从应力波随机到达的角度对均质岩石杆件动态断裂规律进行理论分析。通过对三角形、矩形、指数衰减3种典型的应力波在几个特定入射时间传至一维均质岩石杆件的自由端后入、反射波叠加产生的纯拉应力的理论计算,对岩杆断裂的可能性、时间、次数和长度进行系统的分析,得到断裂次数及长度与应力波峰值及入射时间的确定关系,揭示某些岩石冲击破坏工程随机现象背后的固有本质。     

中尺度复杂岩体应力波传播特性的微震试验研究

采用全数字型多通道微震监测系统,对深部复杂采空区岩体和上部露天台阶絮渣岩体分别进行了现场爆破应力波传播特性试验,利用P波触发时间和传播距离组成的离散点进行线性拟合,得出应力波传播速度,结果显示深部复杂采空区岩体和上部絮渣岩体明显出现两个层状速度模型。利用应力波振幅和传播距离组成的离散点进行曲线拟合,并对应力波信号进行频谱分析和滤波处理,研究应力波的衰减特性。试验结果表明,应力波振幅随传播距离的增加而减小,且在数值上呈乘幂衰减;应力波衰减系数和应力波频率成正比,数值上呈三次多项式关系,高频成分应力波衰减更加明显。利用试验数据,分别计算出深部复杂采空区岩体和上部絮渣岩体的平均品质因子,计算结果分别为4.055和2.478,两者远小于一般原岩的岩体品质因子,说明复杂采空区和絮渣的存在对应力波的传播有很大影响。     

冻土超声波波速与冻土物理力学性质试验研究

超声波在介质中的传播速度反映了介质的物理力学性质．运用UVM-2型声速测定仪，测定不同密度的冻结砂土、冻结黄土和冻结粘土在不同温度下的超声波波速(纵波波速和横波波速)。对比分析不同土质的冻土，在温度和密度变化时超声波波速的变化，得出以下结论：土质颗粒的大小及组成成分在土冻结且在温度继续下降的过程中，通过影响结合水含量的变化而影响未冻水含量的变化．从而进一步影响冻土中的超声波传播速度．所以，可以在超声波波速与温度变化和未冻水含量与温度变化的基础上，建立超声波波速与未冻水含量的关系，通过测定超声波波速来量测冻土未冻水含量．密度的变化也影响着冻土纵、横波波速的变化，且冻结黄土的波速受密度变化影响较大，而冻结粘土则较小。冻土土质类型不同．透过它们的纵波波速和横波波速的变化范围也不同，可以通过对比表示压缩和剪切相对幅值的纵横波速比比值，来判定此冻土的土质类型，一般冻结粘土为1．07，冻结黄土为2．15，冻结砂土为0．7。根据弹性理论，泊松比与波速比有关，所以可以直接测量冻土的波速比研究冻土的强度及变形性能．     

各向异性岩石纵、横波的波速比特性研究

通过对板岩、千枚岩、糜棱岩和变质砂岩等4种各向异性岩石在平行和垂直层理或板理的3个正交方向上进行大量的纵、横波波速试验，并结合对相关文献中已有岩石波速数据的深入分析，提出岩石介质纵、横波波速比的各向异性效应。这种效应广泛存在，其发育程度受到岩石类别的控制。在试验所用的4种岩石中，板岩和千枚岩的波速比的各向异性明显，而糜棱岩和变质砂岩则不甚发育。波速比的各向异性特征主要表现为垂直层理方向上的波速比普遍小于平行层理方向，且两方向波速比的相对增量还随着垂直层理方向上的波速比的增大而逐步减小。基于横观各向同性弹性介质的波速方程，还进一步通过具体算例对这一特征进行较好的理论分析。     

小观音坝址区岩体弹性波特征及其应用

  利用勘探平硐的硐壁波速和硐间整体穿透波速的测试成果,分析了小观音坝址区岩体弹性波速度的空间分布特征,鉴于该坝址区以自重应力为主的地应力场特征,讨论了岩体弹性波速度与地应力场的关系。在建立岩体弹性波速度与岩体力学参数间关系的基础上,并以岩体波速为桥梁,探讨了岩体力学参数与地应力之间的关系。利用建立的各种关系,对坝址区难以开展现场试验但又需要岩体力学参数的某些地段,可以通过弹性波测试甚至根据空间位置,确定或估算其岩体力学参数,以供坝址区岩体质量评价、岩体力学分析和计算使用。     

锚杆锚固质量无损检测中的激发波研究

采用数值模拟和实验模拟的方法对锚杆-锚固体系中的波动特征进行研究。数值模拟和实验模拟都表明在一般测试激发波的频率范围内锚杆以及锚固体系中传播的波是导波，在不同频率时波的传播速度、波的衰减特性都不同。在锚固锚杆中存在最佳激发波，它能使波传播衰减最小传播距离最长。通过数值模拟的方式找到了对于实验室的锚固锚杆模型能使底端反射清晰可见的最佳激发波。据此定制了实验装置及传感器，实验结果与数值模拟取得了很好的一致性。实验和数值模拟都证明采用最佳激发波可以大人增加锚杆锚嘲质量检测中的测试深度。     

早期高强混凝土准动态损伤试验分析

为了研究早龄期高强混凝土在承受多次反复荷载作用下内部损伤情况及超声波特性,在室内实验室制作了一批混凝土立方体试块,脱模后在标准养护室进行养护。分别测定了1、2和3 d龄期的混凝土立方体试块经历多次50%、70%和80%极限荷载前后的抗压强度和超声波波速变化规律;7、14、28 d龄期混凝土立方体试块的抗压强度和超声波波速。试验结果表明:在28天龄期内声速随龄期增长不断增大,与强度基本呈线性关系;前3天龄期的混凝土试块在承受不同比例的极限荷载时,损伤程度和变化规律不同,单轴抗压强度与超声波波速都能衡量这种变化规律。这对于研究超声波测试技术衡量爆破工程中的早龄期高强混凝土在经受多次爆破荷载作用下的损伤累积规律具有一定的指导作用。