[发明专利]岩石三阶弹性模量的高精度测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种，尤其涉及一种岩石三阶弹性模量的高精度测定方法。

背景技术

岩石的三阶弹性模量用来描述岩石本构关系的非线性，对于研究岩石的非线性现象(如岩石的声弹现象)具有极其重要的作用。对于一般各向异性岩石，具有21个独立二阶弹性模量和56个独立三阶弹性模量。在实际工程应用中，通常将岩石近似简化为各向同性介质，则独立的二阶弹性模量有两个，通常表示为Lame常数λ和μ；独立的三阶弹性模量有三个，通常表示为Murnaghan常数l，m，n。

现有技术中，岩石三阶弹性模量的测定主要通过测量超声波手段来实现，主要有单轴压缩法、静水压力法、谐波生成法等，其中：

单轴压缩法和静水压力法通过测量单轴和静水加载条件下岩样的超声波速度的变化，利用单轴和静水加载条件下岩石的声弹关系，得出岩石的三阶弹性模量；

谐波生成法是测量单频超声波在固体传播过程中所形成的高阶谐波分量，通过比较高阶谐波和基本谐波的幅值，得出三阶弹性模量的线性组合。

上述现有技术至少存在以下缺点：

谐波生成法和静水压力法必须组合起来才能完整测定岩样的三阶弹性模量，并且对测试设备要求比较高，精度低、费时费力；

单轴压缩法通常采用脉冲回波方法测量垂直于长方体试样单轴加载方向的超声波速度变化。对于标准岩石试样来说，垂直于单轴加载方向的尺寸通常为5cm，而岩石介质对高频超声波的高衰减致使很难测量到有效的脉冲回波信号。如果减小超声波传播距离，则单轴压缩条件下岩样的稳定性很差。

发明内容

本发明的目的是提供一种精度高、稳定性好的岩石三阶弹性模量的高精度测定方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的岩石三阶弹性模量的高精度测定方法，包括：

首先，给薄板岩样侧面施加双向比例荷载；

然后，将两个压电超声探头分别粘贴在所述薄板岩样中心部位的上表面和下表面上，所述两个压电超声探头分别为纵波探头和横波直探头；

之后，通过超声脉冲发射接收仪发射的脉冲信号经过所述压电超声探头垂直入射到所述薄板岩样中，经过相对表面反射的回波信号被该压电超声探头接收，输入到所述超声脉冲发射接收仪中，并输出测量信号到示波器，并通过测量多次回波同相位信号的时间差来确定沿所述薄板岩样厚度方向传播的超声波波速的测量值；

改变所述双向荷载，重复上述步骤至少一次，依据不同双向加载条件下岩样的超声波速的测量值和计算值，使所述超声波速的测量值和计算值之差的平方和最小，反演出所述岩样的三阶弹性模量。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的岩石三阶弹性模量的高精度测定方法，由于通过脉冲回波法测量双向比例加载条件下沿薄板岩样厚度方向传播的超声纵横波波速；依据不同加载条件下岩样的纵横波波速测量值和计算值，使波速测量值和计算值之差的平方和最小，从而高精度反演出岩样的三阶弹性模量，精度高、稳定性好。

附图说明

图1为本发明中薄板岩样在双向加载条件下的脉冲回波测量示意图；

图2为本发明中脉冲回波法测量的多次回波示意图。

具体实施方式

本发明的岩石三阶弹性模量的高精度测定方法，其较佳的具体实施方式如图1所示，包括：

首先，给薄板岩样侧面施加双向比例荷载，薄板岩样可以为矩形或正方形，所述双向比例载荷的加载方向可以为所述薄板岩样的长、宽方向，水平加载、相互垂直，双向比例荷载的比例可以为1∶2～2∶1；

然后，将两个压电超声探头分别粘贴在所述薄板岩样中心部位的上表面和下表面上，所述两个压电超声探头分别为纵波探头和横波直探头。其中，横波直探头的截面尺寸可以为方形，其偏振方向与双向比例载荷的加载的方向相一致。

之后，通过超声脉冲发射接收仪发射的脉冲信号经过所述压电超声探头垂直入射到所述薄板岩样中，经过相对表面反射的回波信号被该压电超声探头接收，输入到所述超声脉冲发射接收仪中，并输出测量信号到示波器，并通过测量多次回波同相位信号的时间差来确定沿所述薄板岩样厚度方向传播的超声波波速的测量值，包括纵波超声波速和横波超声波速；

改变所述双向荷载，重复上述步骤至少一次，依据不同双向加载条件下岩样的超声波速的测量值和计算值，使所述超声波速的测量值和计算值之差的平方和最小，反演出所述岩样的三阶弹性模量。

对于双向比例加载条件下沿薄板岩样厚度方向传播的超声波的波速和加载应力之间的关系为：