基于子波波形變化規律的巖體軟弱夾層彈性模量測試方法
【專利摘要】本發明涉及巖體軟弱夾層彈性模量測試技術，基于不同頻率的子波在軟弱夾層傳播過程中的波形變化規律，提出了軟弱夾層彈性模量的測試方法。本發明包含6個步驟，分別為：(1)測試軟弱夾層兩側巖體的物理力學參數；(2)測試和計算軟弱夾層兩側巖體的黏性系數；(3)測試軟弱夾層的彈性模量和黏性系數；(4)建立應力波在軟弱夾層的傳播模型；(5)根據透射側記錄的波形計計算入射側的波形；(6)計算軟弱夾層的彈性模量和黏性系數。本發明具有操作簡單，測試結果綜合反映了軟弱夾層對應力波振幅譜和相位譜的影響特性。
【專利說明】基于子波波形變化規律的巖體軟弱夾層彈性模量測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及巖體軟弱夾層彈性模量測試技術，基于不同頻率的子波在軟弱夾層傳播過程中的波形變化規律，提出了軟弱夾層彈性模量的測試方法。
【背景技術】
[0002]在影響邊坡、隧道、地下硐室等巖土工程的穩定性的諸因素中，不良的工程地質條件和巖體結構條件是主要內因，巖體結構面特別是軟弱夾層對巖體變形及巖體工程失穩破壞起控制作用，準確獲取軟弱夾層的力學參數對估算巖體工程的變形量以及治理巖體工程等具有重要意義。
[0003]巖體力學參數的原位測試方法分為動力測試法和靜力測試法。靜力法的基本原理:在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向荷載，并測定其巖體的變形值，然后繪制出壓力-變形關系曲線，計算出巖體的變形參數。常用的靜力法主要有:承壓板法、鉆孔變形法、狹縫法、水壓洞室法、單(雙)軸壓縮試驗法等。動力法的基本原理:用人工方法對巖體激發產生應力波，用傳感器和振動信號采集儀記錄指定測點的振動信號，根據波動理論求巖體的變形參數，目前主要依據應力波傳播波速計算巖體的變形參數。
[0004]相對于動力法，靜力法測試結果具有離散性小，通常認為更可靠，但是受到加載條件的限制，難以實施大體積巖樣測試，而從巖體工程角度出發，非常希望獲得大體積巖體的力學參數，為此，提出了靜力估算法，如層狀巖體變形參數估算公式、用RMR值估算巖體變形模量、用Q值估算縱波速度和巖體平均變形模量等。歸納起來，工程上主要有兩種靜力估算法:一是在現場地質調查的基礎上，建立適當的巖體地質力學模型，利用室內小試件試驗資料和地質力學模型結合起來進行估算，其估算結果的有效性依賴于地質力學模型，因難以建立復雜巖體的有效的力學模型，限制了該方法的推廣運用，導致目前該方法主要運用于層狀巖體；二是在巖體質量評價和大量試驗資料的基礎上，建立巖體分類指標與變形參數之間的經驗關系，用于變形參數估算，該方法的優點是綜合考慮了影響巖體力學性質的因素，但目前仍屬于半經驗公式。
[0005]實際工程中，由現場大尺寸巖體力學試驗得到的巖體強度參數可以較好地反映巖體工程力學特性，但限于試驗中巖體尺寸、時間以及試驗經費等方面原因，實際工程中所進行的現場以及室內力學試驗數量都非常有限，因此僅靠這些有限的試驗數據很難得到能夠真實反映巖體工程特性的設計參數。相對于靜力測試方法，動力測試方法具有快捷便利、測試成本低、能夠實施大體積測試和測試細小巖體結構面的力學參數等優點，是靜力測試法不可缺少的補充，發展動力測試方法具有重要意義，但是動力測試方法不成熟，特別是根據測點的振動波形計算巖體力學參數不成熟，對應力波的振幅和相位信息挖掘的不充分。巖體中存在大量不同尺度的結構面，直接影響巖體的變形特性和變形參數，其中軟弱夾層是非常重要的一類巖體結構面，對巖體變形和破壞具有重要影響。采用動力法測試軟弱夾層的變形參數，關鍵問題是掌握應力波在軟弱夾層的傳播規律，并提出合適的計算方法。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種基于子波波形變化規律的巖體軟弱夾層彈性模量測試方法。
[0007]本發明的技術方案:一種基于子波波形變化規律的巖體軟弱夾層彈性模量測試方法，包括以下步驟:
[0008]第一步，測試軟弱夾層兩側巖體的物理力學參數:
[0009]采用鉆彈性模量儀測試軟弱夾層兩側巖體的彈性模量，采用現有常規方法測試軟弱夾層及其兩側巖體的密度、泊松比；
[0010]第二步，測試和計算軟弱夾層兩側巖體的黏性系數:
[0011]對于軟弱夾層兩側巖性變化較大時，需在軟弱夾層兩側分別選擇表面平整的區域為測試區域；如果軟弱夾層兩側巖性變化較小時，即認為兩側巖體力學參數相同，只需在其中一側選擇測試區域；在測試區域內布置I條直線測線，測線長度為1.5-4.5m，在測線上選定施加沖擊載荷的振源點，在測線上選定2— 4個測點；測點編號的原則是:以振源點為中心，由近及遠從I開始依次編號，第I個測點(與振源點最近的測點)與振源點的距離為
0.3-1.0m ;用石膏粉將加速度傳感器粘結在測點上，在振源點施加一個沖擊載荷，采用振動信號采集儀記錄傳感器的振動波形；計算軟弱夾層兩側巖體黏性系數的過程是:(I)對第m(m>l)個傳感器記錄的P波波形進行傅里葉變換得到其振幅譜，采用關系式I計算振幅譜曲線與頻率坐標軸所圍成的面積Spm ； (2)對第I個傳感器記錄的P波波形進行傅里葉變換得到其振幅譜，給定巖體黏性系數的初始值，初始值為0.05—0.2MPa.s,結合第一步測試得到的彈性模量、密度和泊松比，對振幅譜按照關系式2計算得到第m個測點的計算振幅譜，采用關系式I計算得到第m個測點的計算振幅譜與頻率坐標軸所圍成的面積Swm ； (3)不斷增加巖體的黏性系數，計算Swm與Srii的差值的絕對值，繪制絕對值與黏性系數的關系曲線，在曲線上找出絕對值的最小值，最小值對應的黏性系數就是巖體的黏性系數；
[0012]關系式I
【權利要求】
1.一種基于子波波形變化規律的巖體軟弱夾層彈性模量測試方法，包括以下步驟: 第一步，測試軟弱夾層兩側巖體的物理力學參數: 采用鉆彈性模量儀測試軟弱夾層兩側巖體的彈性模量，采用現有常規方法測試軟弱夾層及其兩側巖體的密度、泊松比； 第二步，測試和計算軟弱夾層兩側巖體的黏性系數: 對于軟弱夾層兩側巖性變化較大時，需在軟弱夾層兩側分別選擇表面平整的區域為測試區域；如果軟弱夾層兩側巖性變化較小時，即認為兩側巖體力學參數相同，只需在其中一側選擇測試區域；在測試區域內布置I條直線測線，測線長度為1.5-4.5m，在測線上選定施加沖擊載荷的振源點，在測線上選定2—4個測點；測點編號的原則是:以振源點為中心，由近及遠從I開始依次編號，第1個與振源點最近的測點與振源點的距離為0.3-1.0m ;用石膏粉將加速度傳感器粘結在測點上，在振源點施加一個沖擊載荷，采用振動信號采集儀記錄傳感器的振動波形；計算軟弱夾層兩側巖體黏性系數的過程是:(1)對第m個傳感器記錄的P波波形進行傅里葉變換得到其振幅譜，m>l，采用關系式1計算振幅譜曲線與頻率坐標軸所圍成的面積Spm ； (2)對第I個傳感器記錄的P波波形進行傅里葉變換得到其振幅譜，給定巖體黏性系數的初始值，初始值為0.05—0.2MPa.s,結合第一步測試得到的彈性模量、密度和泊松比，對振幅譜按照關系式2計算得到第m個測點的計算振幅譜，采用關系式I計算得到第m個測點的計算振幅譜與頻率坐標軸所圍成的面積Swm ； (3)不斷增加巖體的黏性系數，計算Swm與Srii的差值的絕對值，繪制絕對值與黏性系數的關系曲線，在曲線上找出絕對值的最小值，最小值對應的黏性系數就是巖體的黏性系數； 關系式I
【文檔編號】G01N3/00GK103994921SQ201410257918
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】王觀石, 龍平, 胡世麗 申請人:江西理工大學