[发明专利]一种测定及计算岩石衰减系数及非线性系数的方法

说明书

一种测定及计算岩石衰减系数及非线性系数的方法，包括：将制备好的圆柱形岩石试样放置于霍普金森杆入射杆与透射杆之间，利用应变片记录入射波信号（6）和透射波应变信号（7）；对测得的透射波信号进行频谱分析，得出透射波频谱；由动应力‑应变关系及应变波传播的波动方程，近似得出试样一阶应变及二次谐波应变表达式；计算平均入射波应变幅值和透射波应变幅值比值，结合一阶应变，求解试样衰减系数；计算平均透射波谐波应变幅值与入射应变幅值平方的比值，结合二次谐波，求解试样非线性系数。本发明通过该方法实现颗粒材料的衰减系数及非线性系数的联合测定及计算。

技术领域

本发明涉及一种本发明涉及一种测定及计算岩石衰减系数及非线性系数的方法，属于土木工程技术领域。

背景技术

岩石和土体等土木工程中常见的地质材料具有特殊的颗粒结构，从而导致其具有非常明显的动力非线性特性。同时，颗粒间的孔隙及材料中存在缺陷(如裂缝、空洞等)对波携带的能量具有吸收效应，从而使波幅随着传播距离的增加而减小，在工程中通常用波的衰减来表述。

目前，对于颗粒材料对波的衰减及应力波作用下颗粒材料表现出的非线性特性已有定性的认识，但如何通过试验结合计算确定颗粒材料的衰减系数及非线性系数仍是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是，为了解决颗粒材料的衰减系数及非线性系数的如何确定问题，本发明提出一种测定及计算岩石衰减系数及非线性系数的方法。

本发明实现的技术方案如下，一种测定及计算岩石衰减系数及非线性系数的方法，包括以下步骤：

步骤1：制备圆柱形岩石试样，将岩石试样放置于霍普金森杆入射杆与透射杆之间，由发射腔产生的高应变波气压推动弹头作用于入射杆，产生的高应变波经入射杆传播至岩石试件，最终传入透射杆。

所述圆柱形岩石试样其直径应与霍普金森杆直径相同，所述圆柱形岩石试样其高度应为直径的1～2倍。

所述发射腔可调节气压大小，以达到产生不同幅值应变波的目的。

所述入射杆和透射杆在距离试件两端面1m处布置应变片，以记录入射波和透射波应变信号。

步骤2：采用快速傅里叶变换对步骤1测得的透射波信号进行频谱分析，得出透射波频谱。

步骤3：根据非线性弹性理论，动应力-应变关系可表示为：

式中：σ_d为岩石试样动应力；ε_d为岩石试样动应变；为线性动模量，ρ_s为岩石试样密度；β为非线性系数；η为岩石试样粘性系数；t为时间。

高应变波在岩石试样中的传播可视为一维波动问题，其波动方程为：

将方程(2)代入方程(1)，可得出非线性平面波方程为：

计算时，假设岩石试样长度远小于高应变波形成距离，同时采用摄动法，可近似得出试样一阶应变及二次谐波应变：

ε_d1(a，t)＝Re(ε₀e^-αae^jka-jωt)

式中：k＝ω/C_s为冲击波波数，ω＝2πf为角频率，f为基频，可由透射波频谱分析直接得出，C_s为岩石试样中波速可由压电声速装置直接测出或由采集的入射信号和透射信号的时间差算得；α为岩石试样衰减系数；β为试样非线性系数；a为冲击在试样中的传播距离0≤a≤L，L为试样长度，a＝0表示试样最左端，a＝L表示试件最右端；