[发明专利]基于爆破地震波时空衰减规律的岩体力学参数测试方法

摘要

本发明涉及岩体力学参数测试技术，是一种基于爆破地震波时空衰减规律的岩体力学参数测试方法。本发明包括数据测试和测试数据处理，经过相应测试和计算就能够得到岩体的几何和力学参数，主要有：岩块的粘性系数、岩体的等效弹性模量、结构面的方位角、结构面刚度、结构面厚度及其弹性模量，为边坡稳定性分析给出岩体相关参数。

主权项

一种基于爆破地震波时空衰减规律的岩体力学参数测试方法，包括数据测试和测试数据处理，数据测试的步骤如下：第一步：测试试验区域岩块的力学参数及物理参数，需要测试的参数有弹性模量、泊松比和密度，在试验区域选择有代表性的岩块，加工成标准岩样，用岩石试验机测试岩石的力学参数，采用常规方法测试岩块的密度；第二步：测试岩块的粘性系数，在试验区域选择岩性有代表性和表面平整的区域，在地表布置三分量加速度传感器，用石膏粉将传感器粘结在试验区域的表面，在试验区域施加一个冲击载荷，用采集仪记录测点的振动波形；第三步：测试试验区域的岩体力学参数，在测试区域内的中心位置打一钻孔，孔径为40～80mm，孔深由试验要求控制，一般为5～80m，地表布置传感器，用采集仪记录测点振动波形；测试数据处理为：地震波在岩体中传播过程中，空间各点的峰值随传播距离增加而衰减，用底数为e的负指数拟合地震波峰值与传播距离的关系，得到地震波的衰减系数；空间每一点的振幅随时间增加而衰减，用底数为e的负指数拟合测点的振幅与振动时间的关系，得到地震波的衰减速率，测试数据处理步骤如下：第一步：计算岩石的粘性系数，(1)采用快速傅里叶变换进行频谱分析，找出P波的第1特征频率；(2)根据第1特征频率的有效带宽进行带通滤波，得到第1特征频率对应的特征波形；(3)用负指数拟合求出特征波形的衰减速率；(4)把岩石抽象为粘弹性体，运用波动方程和复数理论建立地震波的衰减速率与粘性系数的关系式1，把测点的衰减速率、第1特征频率、岩块的弹性模量和泊松比代入关系式1，计算得到岩块的粘性系数，其中：衰减速率和第1特征频率由测点波形直接求得，岩块的弹性模量和泊松比由室内实验测试得到，关系式1 α t = ω 2 ( λ ′ + 2 μ ′ ) 4 ( λ + 2 μ ) 1 + [ ω ( λ ′ + 2 μ ′ ) λ + 2 μ ] 2 + 1 1 + [ ω ( λ ′ + 2 μ ′ ) λ + 2 μ ] 2 关系式1中：ω为地震波的频率，αt为地震波振幅的衰减速率，λ和μ为弹性拉梅常数，λ′和μ′为粘性拉梅常数，其中λ，μ，λ′和μ′的计算如下：关系式11 λ = Ev ( 1 + υ ) ( 1 - 2 υ ) λ ′ = ηωv ( 1 + v ) ( 1 - 2 v ) 关系式12 μ = E 2 ( 1 + v ) μ ′ = ηω 2 ( 1 + v ) 关系式11、12中：E为弹性模量，η为粘性系数，v为泊松比；第二步：根据偏振角和P波与SV波的峰值比变化规律计算岩体结构面的方位角，(1)根据测点与震源的空间位置关系进行波场分离，得到P波与SV波；(2)计算各测点的偏振角和P波与SV波的峰值比，并分别画出这两者随与孔口距离的变化关系图，根据该图确定结构面倾角；(3)多方位测试，分析结构面倾角，结合测试方位确定结构面方位角；第三步：根据地震波衰减规律计算岩体的等效弹性模量，(1)根据测点与震源的空间位置关系进行波场分离，得到P波与SV波；(2)对波场分离得到的P波采用快速傅里叶变换进行频谱分析，找出第1特征频率；(3)根据第1特征频率的有效带宽进行带通滤波，得到特征波形，用数据拟合的方法确定特征波形的衰减速率；(4)由各测点的衰减速率、第1特征频率、岩石的粘性系数和泊松比，采用关系式1计算等效弹性模量；第四步：计算岩体结构面刚度，(1)波场分离得到岩块中的P波与SV波，通过频谱分析得到P波与SV波的第1特征频率，以第1特征频率对应的有效带宽对各测点进行滤波得到特征波形，求出岩块中特征波形的衰减速率；(2)进行波场分离得到岩体中的P波与SV波，结合露头确定岩体的优势结构面的倾角和间距，以结构面间距与波长之比ζ＞0.25为依据确定岩体中地震波的滤波范围，滤波得到P波与SV波的特征波形，求特征波形的特征频率及其衰减速率；(3)通过理论研究建立了相对衰减速率与岩体结构面透射系数的关系式2，运用该关系式2，由待测岩体与完整岩块的衰减速率之比计算得到地震波传过多结构面的总透射系数；(4)结合露头确定震源至各测点的结构面数量，由总透射系数计算得到单结构面的透射系数；(5)根据结构面的力学特性确定地震波在结构面的传播模型，将非充填型硬性结构面抽象为弹簧，将充填型结构面抽象为有一定厚度的粘弹性薄层，分别建立相应的地震波透射模型，计算结构面刚度、充填厚度和弹性模量；(6)把计算得到的结构面参数，包括力学参数、几何参数和岩石的粘性系数代入地震波峰值随传播距离的衰减模型，校核计算结果是否满足地震波随传播距离的衰减系数，如果不满足，调整结构面参数，求得满足地震波衰减速率和衰减系数的最优解，关系式2 α At α Bt = λ B 2 λ A 2 T A 1 2 n A T B 1 2 n B C A · [ ρ A ω A 2 P A + 2 ( P A × A A ) × ( M AI P A - M AR A A ) ] C B · [ ρ B ω B 2 P B + 2 ( P B × A B ) × ( M BI P B - M BR A B ) ] ( ρ B ω B 2 | P B | 2 + 2 M BR | P B × A B | 2 ) ( ρ A ω A 2 | P A | 2 + 2 M AR | P A × A A | 2 ) 式中：下标A和B分别表示岩体A和岩体B的参数，αt为地震波振幅的衰减速率，由波形可以直接求得；λ为波长，由波速和频率可以直接求得；T为地震波在结构面的透射系数，为待求参数；C为矢量波速，为实测参数；ρ为密度，为实测参数；ω为地震波的频率，由波形可以直接求得；P为地震波的传播矢量，P＝ω/C，，由波速和频率可以直接求得；A为地震波峰值随传播距离的衰减矢量，由多测点的波峰值拟合可以直接求得；MI和分别复切变模量的实部和虚部，MR＝μ，MI＝μ′，在确定弹性模量和粘性系数和频率的条件下，由关系式12计算得到；n为震源至测点的结构面数量，由露头确定结构面平均间距和结合震源至测点距离确定结构面数量。