[发明专利]岩体节理刚度的全波形信息测试方法

摘要

本发明涉及一种岩体节理刚度的全波形信息测试方法，包含数据测试和分析两个方面，测试步骤包含2个小步骤：①试验区域岩块物理力学参数的测试，②节理法向和切向刚度的现场测试；数据分析步骤包含5个小步骤：①建立子波在节理传播的时域分析模型，②子波分解透射波，③计算入射波和反射波的子波系列，④计算入射侧平行节理走向和垂直节理走向的时域波形，⑤计算节理的法向刚度和切向刚度。它是基于全波形信息分析节理刚度的方法，结构面对岩体力学特性具有控制作用，准确获取岩体节理法向刚度和切向刚度对岩体工程的设计、施工、稳定性评价和岩体加固具有重要意义，具有操作简单快捷、测试成本低，测试结果更全面反映了节理力学特性的复杂性。

主权项

1.一种岩体节理刚度的全波形信息测试方法，其特征是：包含测试步骤和数据分析步骤：A、测试步骤第一步：测试试验区域岩块的物理力学参数弹性模量、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：测试节理法向和切向刚度沿待测试节理走向，选择能够反映节理力学特性的试验区段，试验区段要求表面相对平整；在试验区段布置2-5条测线，为保证测试精度，所有测线的入射角度不大于65°；对测线进行编号，第1条测线与节理垂直，即入射角为0°，随测线编号增加，入射角增加，所有测线汇交于一点，该点为振源处，即施加冲击载荷的作用点；沿每条测线，在节理两侧布置两个二分量传感器，一个分量平行节理走向布置，另一个分量垂直节理走向布置，以下简称在振源方向的半侧为入射侧，简称另一侧为透射侧，传感器与节理的距离为10-30cm，在入射侧和透射侧布置的传感器与节理距离相同；冲击载荷产生的振动为振源，振源处与节理间的距离为0.5-2.0m，节理两侧岩体的微裂隙越发育，距离越小；记录各传感器、振源和节理的位置坐标后，冲击载荷产生应力波，采用振动数据采集仪记录各传感器的振动波形；B、数据分析步骤建立子波在节理的时域传播模型，将透射波分解为子波，运用子波在节理的时域传播模型，计算入射侧入射波和反射波，基于入射侧的计算时域波形和实测时域波形匹配条件确定节理刚度，数据分析步骤如下：第一步：建立子波在节理传播的时域分析模型采用弹簧模型描述节理变形，设结构面节理两侧应力连续，位移不连续量等于应力与节理刚度之比，建立透射、反射波速度时域波形与入射波时域波形的微分方程组，P波入射时见关系式1，SV波入射时见关系式2，运用波形匹配追踪法得到各透、反射波形的解析解，实现了在时域上分析节理对应力波传播的影响，计算透射波和反射波的时域波形；关系式1：关系式2：关系式1和关系式2中，v_P、v_RP、v_RS、v_TP、v_TS分别为入射P波、反射P波、反射SV波、透射P波、透射SV波的速度时域波形；ρ₁和ρ₂分别为入射侧岩块和透射侧岩块的密度；c_P1、c_S1分别为入射侧岩块的P波和SV波相速度；c_P2、c_S2分别为透射侧岩块的P波和SV波相速度；t为时间；φ为入射角和P波的反射角；为SV波的反射角；φ′为P波的透射角；为SV波的透射角；K_t为结构面切向刚度；K_n为结构面法向刚度；第二步：子波分解透射波（1）分解透射侧的振动波形得到透射P波和透射SV波，透射侧的传感器记录了透射侧的平行节理走向和垂直节理走向的振动波形，根据应力波传播方向与振动方向的关系，通过波场分解得到透射P波和透射SV波，波场分解的公式见关系式3；关系式3：api(t)=ayi(t)cosθi+axi(t)sinθiasi(t)=axi(t)cosθi-ayi(t)sinθi]]>关系式3中，a_pi(t)和a_si(t)分别为第i个传感器所在位置的P波和SV波的时域波形；a_xi(t)和a_yi(t)分别第i个传感器所记录x和y方向的时域波形，其中x和y分别表示沿节理坐向和垂直节理坐向的坐标，θ_i为第i个传感器所在测线与第一条测线的夹角；（2）建立子波库，选择能够有效反映应力波在节理传播特性的子波基，引入时移因子和尺度因子，建立子波库，子波库为m×n的矩阵，其中m为矩阵的行数；n为矩阵的列数，通过时移因子和尺度因子合理的取值，保证子波在时域和频域上能够覆盖待分解信号；本发明采用Ricker子波为子波基建立子波库，Ricker子波的时域表达式见关系式4；关系式4：aR(t)=(1-2π2fM2t2)exp(-π2fM2t2)]]>关系式4中，f_M为峰值频率，在关系式4中引入时移因子q和尺度因子p，建立Ricker子波库，引入时移因子和尺度因子后的子波函数见关系式5；关系式5：uR(t)=[1-2π2fM2(t-qjpj)2]exp[-π2fM2(t-qjpj)2]]]>（3）将透射P波分解为子波系列，将待分解信号与子波库做内积得到子波系数，子波系数最大的子波确定为最优子波，计算待分解信号与最优子波之差得到剩余信号，将剩余信号与子波库做内积，确定第二个最优子波，以此类推，当满足误差要求时，结束寻找最优子波，由此确定透射P波的子波系列；（4）将透射SV波分解为子波系列，按照透射P波分解为子波的方法，分解SV波，得到透射SV波的子波系列；第三步：计算入射波和反射波的子波系列数据分析步骤中第二步分解得到的透射P波和透射SV波的子波系列，根据数据分析步骤中第一步所建立的应力波在节理传播的时域分析模型，分别计算与透射P波子波系列对应的入射波子波系列和反射波子波系列；分别计算与透射SV波的子波系列对应的入射波子波系列和反射波子波系列；第四步：计算入射侧平行节理走向和垂直节理走向的时域波形布置在入射侧的传感器记录了入射波和反射波，根据应力波的传播方向和现场传感器的布置位置关系，将入射P波、反射P波、入射SV波和反射SV波分解至沿节理走向和垂直节理走向；振源产生P波和SV波沿射线Ⅱ直接传播至第i个传感器，传播射线Ⅱ与y轴的夹角为β_i，采用关系式6计算β_i；振源产生P波和SV波沿射线Ⅰ经节理处反射再传播至第i个传感器，传播射线Ⅰ与y轴的夹角为α_i，采用关系式7计算α_i；关系式6为：αi=arctan(cih+2b)]]>关系式7为：βi=arctan(cih)]]>关系式6和关系式7中，h为振源与入射侧传感器的垂直距离；b为测点至节理的垂直距离；c_i为入射侧第i个传感器与y轴的距离；第i个传感器记录该测点在x和y方向的振动波形，建立x和y方向的振动波形与反射波的关系，其关系见关系式8；关系式8为：axi(t)=aP1i(t)sinαi+aSV2i(t)cosβi+aSV3i(t)cosαi+aP4i(t)sinβiayi(t)=aP1i(t)cosαi+aSV2i(t)sinβi-aSV3i(t)sinαi-aP4i(t)cosβi]]>关系式8中，a_P1i(t)和a_SV3i(t)分别为第i个传感器所在位置的P波和SV波反射波时域波形；a_SV2i(t)和a_P4i(t)分别为第i个传感器所在位置的P波和SV波入射波时域波形；a_xi(t)和a_yi(t)分别第i个传感器所在位置的x和y方向的计算时域波形；第五步：计算节理的法向刚度和切向刚度（1）给定一个节理初始法向刚度，对第1条测线的振动波形执行数据分析步骤中第一步至第四步的运算，得到入射P波和反射P波的系列计算子波时域波形；叠加入射P波和反射P波的系列计算子波时域波形，得到入射侧的计算时域波形；采用波形范数量化计算时域波形与入射侧实测时域波形的差异，不断增加节理法向刚度，重新计算得到计算时域波形与实测时域波形的差异，当差异满足要求时，确定节理的法向刚度；（2）给定一个节理的初始切向刚度，对第1条测线的振动波形执行数据分析步骤中第一步至第四步的运算，得到入射SV波和反射SV波的系列计算子波时域波形；叠加入射SV波和反射SV波的系列计算子波时域波形，得到入射侧的计算时域波形；采用波形范数量化计算时域波形与入射侧实测时域波形的差异，不断增加节理切向刚度，重新计算得到计算时域波形与实测时域波形的差异，当差异满足要求时，确定节理的切向刚度；（3）输入数据分析步骤中第五步（1）、（2）确定的法向刚度和切向刚度，对第2条测线的振动波形执行数据分析步骤中第一步至第四步的运算，得到入射P波和反射P波的系列计算子波时域波形；采用与P波相同的计算步骤，得到入射SV波和反射SV波的系列计算子波时域波形；分别将P波和SV波的系列计算子波时域波形分解至沿节理走向和垂直节理走向，得到沿节理走向和垂直节理走向的计算时域波形，分别量化沿节理走向和垂直节理走向的计算时域波形与实测波形的差异；调整节理的法向刚度和切向刚度，重新得到计算时域波形和实测波形的差异，当差异满足要求时，确定节理的法向刚度和切向刚度；第3条及其他的测线按照第2条测线相同的方法，计算得到相应的节理刚度；（4）汇总根据各条测线振动波形计算得到的节理刚度，分别计算节理法向刚度和切向刚度的平均值，平均值为所测节理的刚度。