（岩土工程专业论文）岩石在单轴受荷条件下的超声波特性研究.pdf

摘要 岩石在单轴受荷条件下的超声波特性研究 作者简介：翟小洁，女，1 9 8 2 年5 月生，师从成都理工大学傅荣华教授， 2 0 0 8 年0 6 月毕业于成都理工大学岩土工程专业，获得工学硕士学位。 摘要 岩体介质超声波测试技术是近三十多年发展起来的一种新技术，它通过测定 超声波穿透岩体后声波信号的声学参数的变化，间接地了解岩石或岩体的物理力 学特性、结构构造特征及应力状态，已得到国内外岩土工程界的广泛重视。2 0 0 3 年，笔者的导师傅荣华和刘维国等在进行油气藏岩石的力学性质实验时，观 察超声波的横波速度值与岩石裂纹加速发展具有同步减小的现象，这种现象在超 声波纵波中没有出现，在其他弹性波作用下，也不十分明显。于是提出了进行岩 石扩容现象和超声波横波特性等参数相互关系研究的新思路。因此，本文主要是 利用岩石对超声波的横波十分敏感的这种特性，比较岩石变形过程中的超声波 纵、横波参数的不同变化特征，从而对岩石的弹性极限以及应力应变特征的研究 提供了更多的参考意义。 本文主要通过对玄武岩、灰岩、石英砂岩以及砂岩等在单轴加载过程中进行 超声波测试，研究几种岩石在单轴加载条件下超声波的传播特性，实验通过对岩 石超声波参数以及实验产物的分析，研究几种岩石的弹性特征、非均质性、各向 异性等性质。研究结果表明： 第一，岩石的纵波速度随密度和压力增大均增大；横波速度在玄武岩、石英 砂岩、砂岩中随密度增加而增大；在灰岩中出现例外：随压力的变化也与纵波不 同，呈现先增后减的现象。这是由于低压时纵横比小的孔隙易于闭合，当大量的 孔隙闭合时，岩石表现出接近于岩石样品本身固有的弹性性质；随着压力增加， 闭合的孔隙重新张开并扩展。这对超声横波的传播影响较大。 第二，玄武岩、石英砂岩以及砂岩纵波和横波初至波的波峰、波谷随压力增 大而增大；灰岩中纵横波的波峰是随压力的增加而增大，波谷随压力增加则呈现 减小的趋势。这主要是由于，在受荷条件下，岩石的孔隙度降低，岩石内大部分 裂纹闭合，并且矿物颗粒边界接触紧密，在裂纹表面和颗粒边界的能量损失减少； 超声波通过灰岩出现不同于其他三种岩石的现象，这与灰岩在加压的过程中发生 碎裂有关。 成都理工大学硕士学位论文 第三，超声波在砂岩不同的层理面方向传播时，纵、横波的速度和衰减发生 了不同的变化。垂直砂岩层理面方向的速度小于平行砂岩层理面方向的速度；横 波在垂直岩层层面方向的衰减大于平行岩层层面方向的衰减，纵波在垂直岩层层 面方向的衰减小于平行岩层层面方向的衰减。横波速度小于纵波速度，横波衰减 大于纵波衰减。这表明：即使是同一种岩石都可能存在明显的各向异性，说明岩 石中的各向异性是普遍存在的。同时，衰减各向异性系数大于速度各向异性系数， 说明衰减比速度对岩石的各向异性更为敏感。 通过本文对岩石单轴加载条件下超声波的特性研究，为岩石或岩体的物理力 学特性及结构特征的研究提供更多的依据。并为岩体扩容、岩体稳定性、岩体加 固质量检测以及地震预报等方面提供了参考依据和实验基础。 关键词：超声波试验岩石扩容波速衰减各向异性 i i a b s t r a c t t h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fu l t r a s o n i ec h a r a c t e r i z a t i o nf ；d r r o c ku n d e ru n i a x i a ll o a d i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：z h a i x i a o j i e ，触1 a l e ，w a sb o mi nm a y ，l9 8 2w h o s e t u t o r 吼sp r o f e s s o rf u r o n 曲u a h ef a d u a t e d 行o mc h e n g d uu n i v e r s 埘o f t e c h n o l o g yi ng e o t e c t l i l i c a le n g i n e e r i n gm 勾o ra n d 佩sg r a m e dt h em a s t e rd e g r e ei n j u n e 2 0 0 8 a b s t r a c t u l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n i q u ei nr o c km a s sm e d i 啪i san e wt e c h n i q u ew h i c hh a s b e e n d e v e l o p e dd u r i n g n e a r t h i r 够y e a f s n r e a l i z e d p h y s i c a l a n dm e e h a m c s c h a r a c t e r s ，s t r u c t u r ea l l ds t r e s ss t a t eo fr o c km a s sb yt e s t i n gt h ec h a n g eo fa c o u s t i c s p 猢e t e r so fs o u n dw a v es i g i l a la r e rp e n e t r a t i n gr o c km a s s ，w h i c hg o tr e c o g n i t i o ni i l d o m e s t i ca 1 1 do v e r s e a sg e o t e c c a le n g i n e e r i n gf i e l d s i n2 0 0 3 ，m y 硼 o rp r o f e s s o r f u r o n 曲u aa n d“u w 己i g u oo b s e e dm eu l t r a s o l l i cs - w a v ev e l o c i 够b e g i n st o d e c r e a s ew i t ht h ee x p a l l s i o no fm i c r o c r a c k s1 1 l p t u r ei nt h et e s ta b o u to i l 柚dg a s r e s e r 、，o i rr o c km e c h a m c sp r o p e r r t i e s t h i sp h e n o m e n o nd i d n t 印p e a r e di i lu l t r a s o n i c p - w a v e ，a n di tw a sw e a ki no m e re l a s t i cw a v e s o ，t h e yp m f o n a r dn e wi d e aa b o u ts t u d y t h er e l a t i o no fp a r 咖e t e r sw “ht h ed i l a t a l l c yo fr 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t e ra n dt e s e t e dr e s u l t so fr o c k s t h es t u d yr e s u l t sd e m o n s t r a t e ： f i r s t ，n l ep w a v ev e l o c 时o fr o c k si s1 a 玛e ra i l dl a r g e ra l o n g 咖ht h e i rd e n s i t i e s a i l dc o m p r e s s i o nf o r c e s t h es - w a v ev e l o c i t yi sl a r g e ra n dl a r g e ra l o n gv 订t ht h e i r d e n s i t i e so nb a s a l t ，q u a r t z s a n d s t o n ea 1 1 ds a l l d s t o n e i t se x c e p t i o no nl i m e s t o n e w h i c h c h a i l g e i sd i 舔r e n t纳mp - w a v ew i t h c o m p r e s s i o n f o r c e c h a l l g i n g h s i n c r e a s e - b e f o r e r e d u c e w h i c hi sb e c a u s et h a tp o r ew i t hl o wa s p e c tr a t i oc l o s ee a s i l y u i l d e rl o wc o m p r e s s i o n w 1 l e nl a 玛ep o r e sc l o s e d ，r o c k se x p r e s s e da p p r o a c h i n ge l a s t i c i i i 成都理工大学硕士学位论文 b e h a v i o ro ft h e i r s e l v e s w i t hc o m p r e s s i o nf o r c ei n c r e a s e d ，c l o s e dp o r er e o p e na 1 1 d e x t e n d w h i c hh a v ei m p o r t a me 虢c i o nt os 一、a v e t h es e c o n d ，t h ew a v ec r e s ta n dt h r o u 曲o ff i r s tp 鲥o do ft h ep 一啪v e f 0 珊锄d s 一、a v e f o ma r el 砌e ra n d l a r g e r a l o n g 谢t h c o m p r e s s i o nf o r c e s o n b a s a l t ，q 嘣z - s a l l d s t o n ea i l ds a i l d s t o n e o nl i m e s t o n e ，w a v ec r e s ti sl a r g e ra i l dl a r g e r a l o n g 谢t hc o m p r e s s i o nf 1 0 r c e s b u t ，w a v et h r o u g hi so p p o s i t e w 1 1 i c hi sb e c a u s et h a t p o r o s i 哆g e t sl o w e ra n dm o s tc r a c k sc l o s eo nr o c k su n d e rc o m p r e s s i o nf o r c e s a n dt l l e b o r d e ro fm i n e r a lg r a i n sc o m a c tc l o s e l y w 1 l i n c hr e s u l tt h a tt h el o s te n e r g yo fc r a c k s u r f 如e 锄dg r a i nb o r d e rr e d u c e u l 订a s o i l i ct r a i l s m i s sd i 腕r e m l i y 行o mo t h e rr o c k so n l i m e s t o n e ，t h i s sb e c a u s e1 i m e s t o n ed i s i n t e g r a t e du n d e rc o m p r e s s i o nf o r c e s 7 1 1 l et h i r d ，w h e nu l 缸邪o i l i ct r a n s m i s si nd i 虢r e i l tb e dp l a n eo ns a i l d s t o n e ，p w a v e a 1 1 ds - w a v ev e l o c i 够a n da ：t t e n u a t i o nh a v ed i 仃e r e n tc h a n g e t h eu l t r a s o i l i cv e l o c i 够 、v a v ev e l o c i t ) ，i sb i g g e ri nv e r t i c a ls a l l d s t o n eb e d d i n gt h a ni nt h ep a r a l l e l u l 仃a s o i l i c s w a v ea t t e n u a t i o ni s1 鹕e ri n l ev e r t i c a lt h a l l i nt h ep a r a l l e l u l 懈。血cp w a v e a t t e n u a t i o ni s1 e s si nt h ev e n i c a lt h a i li i l 让屺p a r a l l e l u l 仃邪0 1 1 i cs w a v ev e l o c 毋i sl e s s t h a i lu l t r a s o i l i cp - w a v ev e l o c i 够u l n - a s o i l i cs w a v ea t t e n u a t i o ni sl a 唱e rt l l a nu l 仃a s o i l i c p - w a v ea t t e n u a t i o n s o ，i ti sr e m 矾( a b l ea l l i s o 仃0 p yo nt h es 锄er o c k t h e n ，a i l i s o 仃o p y i su m v e r s a le x i s t e n c eo nu n d e 曜r o u n dr o c k s t h eo t h e r ，c o e f h c i e n ta t t e r m a t i o n a l l i s o 仃o p yi sl a r g e rt h a nc o e f f i c i e mv e l o c i t ) ra 1 1 i s o t r o p y w h i c hd e c l a r ea t t e m l a t i o ni s m o r es e n s i t i v et h a l lv e l o c i 够t or o c ka m s o 仃o p y i ts u p p l i e di r n p o n a m te v i d e n c ef o rr e s e a r c k n gp h y s i c a la i l dm e c h a j l i c a lp r o p e 啊 a l l ds 饥l c t u r ef e a ：t u r eo fr o c k so rr o c km a s s e sb yr e s e a r c hu l 虹a s o i l i cc h a r a c t e ro nr o c k s u n d e rt h eu i l i a x i a ll o a d s ot h a ti tp r o v i d et h er e f e r e n c ee v i d e n c ea 1 1 de x p e r i m e n t m b a s i so ft l l er e s e a r c ho fr o c kd i l a ：t a n c y ，r o c ks t a b i l i t y ，r e i n f o r c e dr o c km a s sd e t e c t ， e a r t h q u a ：k ep r e d i c t i o na n ds oo n k e y w o r d s ：u 1 舰s o l l i ce x p e 血1 e m n l ed i l a t a n c yo fr o c k su 1 t r a s o l l i cw a v e v e l o c “y u l 订a s o l l i ca t t e m l a t i o na i l i s o 仃o p y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王盔堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：程j 弋t ) 丙g 年月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡王盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑堡王态堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：私、乞 学位论文作者导师签名：嬲 土。为了年月) 岁 日 第1 章引 言 1 1 研究意义 第1 章引言 岩石介质超声波测试技术是近3 0 年来发展起来的一种新技术，它是弹性波 测试方法中的一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上，该方法 是以人工激振的方式向介质( 岩石、岩体、混凝土构筑物) 发射超声波，在一定 的空间距离上接收介质物理特性调制的超声波，通过测定超声波穿透不同介质 后，声波信号的声学参数( 超声波波速、衰减系数、波形、频率、频谱、振幅等) 的变化，间接地了解岩石或岩体的物理力学特性及结构特征，从而解决一系列岩 土工程中的相关问题。 地质工程实践中，人们常用岩体与岩石的纵波和横波的比值来表征岩体的完 整性【l 】。然而，运用弹性波来分析岩石或岩体的力学性质特征值的相关研究成果 却比较少见。2 0 0 3 年，笔者的导师傅荣华和刘维国【2 】等提出了进行岩石扩容现象 和超声波横波特性等参数相互关系研究的新思路，其依据是：在进行油气藏 岩石的力学性质实验时，观察到随岩石裂纹的扩展，超声波的横波速度值与岩石 裂纹加速发展具有同步减小的现象，这种现象在超声波纵波中没有出现，在其他 弹性波作用下，这种现象不十分明显。因此，利用岩石对超声波的横波十分敏感 的这种特性，比较岩石变形过程中的超声波纵、横波参数的不同变化特征，对岩 石的弹性极限以及应力应变特征的研究具有重大意义。 目前，随着地球科学研究的不断深入，存在着许多与岩石扩容过程相关的待 解决的技术难题。例如：勘探地球物理学中的动态与静态泊松比的函数关系研究 中出现的不收敛问题 3 】；岩石参数的正、反演解释的多解问题【4 】；计算泊松比等 参数的进一步规范问题；对地震勘探和声波测井的声波资料( 动弹) 推测岩石静态 力学参数( 静弹) 应用进一步实用化问题 5 儿6 j ；工程地质中荷载岩样的应变软化和 应变硬化的分界点进行更深入的研究问题( 可评价和选择支护手段) 1 7 】；损伤力学 中用宏观的变量描述细微观的变化带来的影响问题等【8 】。虽然影响因素很多，但 均涉及到岩石力学参数的获取来源、计算方法、适用范围和准确度等问题。勘探 地球物理学中常用由经验公式和模拟计算等估算获得的岩石物性参数，必然造成 解释的多解【9 】；而实验室提供的岩石力学参数，都是利用传统方法将连续介质的 力学线性弹性理论运用到非连续介质( 岩石) 确定的【1 0 】，故寻求更切合实际和更科 学的实验室岩石物性参数是目前的一种趋势。进行岩石扩容现象与超声横波特征 参数相互关系的研究将有助于对上述问题提供更多的参考信息。 总之，本文将岩石微裂隙扩展过程与超声波纵、横波传播过程相联系，不仅 可以测试岩石力学性质，同时了解超声波参数的变化与岩石扩容过程的关系，为 成都理工大学硕士学位论文 岩石力学性质测试探索新方法。研究成果在岩体扩容、岩爆、岩体力学性质分析 与测试以及地震预报等方面均有广阔的应用前景【1 1 h 13 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 岩石裂纹扩张过程的研究 国内外一些岩石力学工作者，对裂纹扩张特性与岩石变形和破坏模式之间的 关系进行了研究，指出在压应力作用下，岩石非线性段变形和体积膨胀与裂纹的 存在及其变化有关。 b r a c e 等人【1 4 】观察到荷载增加至岩石破坏之前，有一个稳定的微裂纹扩张阶 段，并认为这些微裂纹是岩石在早期历史中形成的。在岩浆冷却和热液侵入过程 中，矿物热膨胀性能的差别，将使岩石中留下物理原因造成的微观缺陷；而在构 造应力作用下，矿物颗粒弹性模量的不同，也将使岩石留下力学原因引起的微观 裂纹。 j a l l a c h 【1 5 】在花岗岩压缩破坏过程的研究中，观察到脆性岩石破坏前的非线性 体积增加的现象。在加载期间，大约达到破坏应力的百分之五十时，岩石开始出 现偏离线弹性的行为，微裂纹沿最大主应力方向扩张。这些张开的裂纹增加了岩 石的孔隙度，并且导致了整个岩石的体积膨胀。在达极限破坏应力百分之九十五 以上时，岩石内部出现新的微裂纹，并趋向于散布开来，形成一个裂隙域。在单 轴压缩应力作用下，试样最终出现了大尺度的轴向劈裂，形成容易受弯曲折断的 长柱体。 h o l z h a u s e n 【1 6 】将劈裂作为单轴压缩条件下脆性圆柱体岩石的一种破坏模式 提出，并分为两类：一类是轴向裂纹尖端扩张；另一类是裂纹平面内剪切滑移。 前一类又包括倾斜于加载方向裂纹的轴向扩张、试样形状扰动产生的径向拉伸、 弯折和张开裂纹与试样自由表面相交四种情况。倾斜于加载方向裂纹的轴向扩 张，基于对压应力作用下，岩石内部与加载方向呈一定斜角分布的矩形平面裂纹 受力状态的分析，认为当压应力量值增加使裂纹尖端拉伸应力达到介质的抗接强 度时，裂纹便开始扩张，并逐渐沿加载方向延伸，与其它裂纹贯通。研究结果表 明：裂纹长度扩展到试样宽度的二分之一时，出现不稳定性。这种不稳定性是裂 纹趋向于与试样自由平面相交的结果，与试样的几何形状和尺寸有着密切关系。 试样形状扰动产生的径向拉伸是最早对轴向劈裂作出的解释。弯折断裂现象是因 为单轴压缩下的圆柱体岩石，一般长度尺寸比宽度尺寸要大，所以，在高压应力 下，内部轴向裂纹面受到弯曲，造成沿轴向的裂纹扩张。首先，高压应力提供了 形成轴向裂纹贯通的条件，在试样内部创造出连续的裂纹面，将岩石试样分割为 两个类似梁的部分。当轴向荷载达到足够高的值时，这两个部分就向外弯曲，在 2 第l 章引言 裂纹尖部产生拉伸，造成裂纹向圆柱体端部的不稳定延伸，并以折断形式使岩石 破坏。张开裂纹与试样自由表面相交是一种可能引起轴向劈裂的因素。直接与试 样自由表面相交的张开裂纹，在受到平行应力的作用时，裂纹尖端向岩石内部扩 张，并使延伸共介质的力学性能大幅度减弱，构成了轴向劈裂的条件。裂纹平面 内剪切滑移是单轴压缩岩石试样的另一种破坏形式。微裂纹的轴向增长引起了试 样高度各向异性的发展，并导致试样按与压缩应力呈较小角度的平面发生剪切滑 移破坏，借助于库仑定律能够定量地估计这种各向异性效应，即当平面内的有效 剪切应力等于介质的内聚力时，岩石便发生破坏。有效剪切应力为克服摩擦力后 的剩余剪切应力，它是应力和应力与受剪面夹角的函数。内聚力则不受该夹角的 影响。 彭光忠【1 7 】在单轴压应力下页岩结构面方向力学效应的实验研究中，将试块的 变形和破坏分为压密闭合、线性变形、稳定破裂扩展和非稳定破裂扩展四个阶段。 同q 表示应力作用方向与页岩节理面法向的夹角。在库仑准则的基础上，提出了 随q 不同单轴压缩下页岩的三种破坏机理，并且破坏机理具有随q 的增加而依次 逐渐转化的特点。当。由o 。于9 0 。增大时，其破坏机理由开始的交切结构面的 结构体压致性拉张破裂，逐渐转化为沿结构面的剪切滑移破坏，最后转化为沿结 构面的压致性拉张破裂。在其转化过程中，处于某一角度q 时，后一破坏机理明 显地代替了前一种破坏机理。该q 即为破坏机理转化角，并以此q 来表示所对应 的破坏机理转化点。彭光忠通过试验得出，交切结构面的结构块体压致性拉张破 裂转化至沿结构面的剪切滑移破裂的转化角为qa = 2 0 。；沿结构面的剪切滑移破 裂转化至沿结构面的压致性拉张破裂的转化角ab = 5 5 。 赵文瑞【1 8 】研究了泥质粉砂岩各向异性强度特征。在作用力与层理面成不同角 度条件下，进行了单轴压缩试验，取得了相对于层理的不同方向的强度值。试验 结果表明，层状岩石的弱面对岩石的强度值有明显的影响。对于各向异性的岩石 试样，最主要的破坏方式为沿着与主应力轴成3 0 。的倾斜面破坏。单轴压缩下 岩石试样的另一种破坏方式为沿主应力方向的张裂破坏，所以当层理面与应力方 向一致时，强度较低，但较弱面与主应力轴成3 0 。角时的强度为高。当弱面与 主应力方向垂直时，弱面对强度的影响很小，此时强度最高。 1 2 2 波速与岩石裂纹性质的研究 波速是一个简捷、重要的测量参数。波速与岩石裂纹或岩体结构关系的研究， 主要侧重于应用研究。波速对微结构的敏感性问题，还需继续通过理论分析和实 验检测来给予明确的回答。 国内外波速与岩体性质关系的测量主要在野外环境进行。m c k e n z i e 等人【1 9 】 在岩石介质超声特性研究中，发现在干燥和低侧压条件下，不均匀岩石介质中传 成都理工大学硕士学位论文 播的脉冲波出现不连续现象，并将此解释为是波速在很大程度上受到内部结构影 响的结果。他们采用小爆破产生的高振幅低频信号和跨孔传播技术，来确定压缩 波速度。并根据岩石结构对波速的控制作用，来区分完整岩石和破碎岩石。 e n g e l d e r 2 0 】在地层岩石超声性质与应变松弛变化关系的研究中，把地层和试 验室超声波速的测量作为相当于应变松弛对岩石性质的效应来对待。研究结果表 明：波速变化幅度与应变松弛的变化幅度之间存在一定的关系；应力影响使岩石 弹性性质发生的变化与荷载作用下的裂纹行为有关。花岗岩压缩波速度v 。的最 大值平行于最大压应力方向；砂岩最大的波速下降和应变松弛方向，平行于最大 压缩应力；石灰岩v 。对于应变松弛实际上几乎没有下降，是各向同性的。 k a l l e k o 等人对大理岩进行了岩石裂损过程的声波检测，选择了声速、声幅 和品质因数作为参数，并用实际测量值与无压力作用时测量值相比，形成声速比、 声幅比和品质因数比，来反映测试对象的声学性质。通过对岩石试样加压，观察 到随压力的增加，声幅比与声速比相比较，有更大程度的下降。在野外，k a i l e k o 对布置的测点作了间隔测试，每隔两到三个月检测一次，以便掌握随地压的波动 所引起的岩体介质性质的变化。结果观察到，随着时间的延长，声幅比和品质因 数比的下降斜率，大于声速比的下降斜率。他认为声速比下降是由岩层有效弹性 模量的下降引起的，而声幅比和品质因数的减小，是由裂纹摩擦的非弹性作用造 成的。并认为声幅和品质因数的变化程度与敏感系数有关，即与频率和测量距离 的乘积有关。在敏感系数选择过大的情况下，衰减测量的敏感性会受到影响。 国内在波速指标的研究应用方面作了许多工作【2 l 】 【2 5 j 。伊敏河矿区建设指挥 部，铁道科学研究院西南所地质路基研究室，上海同济大学，华东石油学院，长 沙矿山研究院和中科院武汉岩土力学所等单位，从实测应用和理论两个方面，对 波速与岩体结构之间的关系进行了研究。陆光泽【2 l 】以声波在岩体中传播的运动学 规律为依据，通过应用声波测定仪测定岩体中的波速，在了解岩体特征的实践基 础上，将波速的测定与采矿工程联系起来，提出了“等声速图”法。实质上就是 根据工程的不同需要，按波速基本相同的原则，将工程区域划分成不同的分区， 用以代表岩体特征基本相同的地质单位。并运用该图来指导采矿工艺、矿山公路 设计与施工、评价边坡岩体稳定性和计算设备生产能力。 地下工程围岩松弛带与工程加固措施质量检测是波速应用的两个具体方面。 地下洞室开拓后，由于施工爆破和应力释放的影响，在洞室周边一定厚度范围内 组成岩体的单元岩块会沿着原有的或新生的裂隙产生非线性位移，即造成围岩不 同程度的失强，应力下降，甚至破坏。这种现象即为围岩松弛。测定围岩松弛范 围，有助于评价地下洞室的稳定性，有助于判断可能破坏的模式，为围岩应力计 算提供边界条件。围岩松弛范围测定中，常用v 。l 和a p l 曲线表示随孔深不同 波速和振幅的变化，并据此来确定松弛范围。 4 第1 章引言 工程加固措施质量的声波检测，是利用声波探测来迅速检测喷锚或喷射混凝 土的支护效果。在围岩得补强后，遏制了围岩松弛继续向深处发展，该处岩体的 声速显著提高，从而能够证实喷射混凝土具有良好的支护效果。注浆效果的检测， 则是在固结前后进行对比测试，可采用单孔测井或双孔孔间穿透两种方法。 蔡忠理等人【2 5 1 对单轴压缩过程中，花岗岩声学特征研究的结果表明：波速随 压应力的变化较灵敏。但因波速在压缩过程中变化量不足够大，所以利用波速尚 难以检则到介质中存在的某些微小缺陷的变化。 综上所述，国内外在波速与岩体结构关系的研究中，尤其是应用方面取得了 有意义的成果，应用面也较为宽阔。 1 2 3 声波衰减与岩石裂纹性质的研究现状 声波在通过岩石内部的传播过程中，会出现随传播距离的增加能量减小的现 象。波阵面的扩张，能量分布的空间扩散，致使声波振幅在传播路途上减小，归 属于几何形式的衰减类别。由于岩体具有非弹性性质，内部含有书理、层理、裂 纹等构造，声波传播时，介质的运动及构造界面的阻碍，使部份声能转变为热能 形式损耗掉。这种衰减是将声能转换为其它形式的能量引起的，因而属于物理衰 减，它反映了岩石介质对声能所具有的吸收作用。 t o k s o z 等人1 2 。7 1 ，利用脉冲传播频谱比法，研究了b e r e a 砂岩衰减与压力之间 的影响效应，发现干燥岩石的p 波与s 波衰减，随压力的上升而减小，如图1 1 所示。t o k s o z 认为随着压力增所发生的衰减下降，是裂纹闭合所引起的结果。但 是t o k s o z 的实验曲线并不够完整，应力尚未达到使试样破坏的程度，未能反映 出岩石裂纹由闭合转为扩张，再由稳定扩张转为不稳定扩张，最后发生破坏的过 程中，衰减变化的特征。 w i n “e r 【2 8 j 在5 0 0 9 0 0 0 h z 频率范围，用共振法对砂岩孔隙流体效应进行了研 究。结果表明：随有效压力的增加，干燥砂岩和部分饱和砂岩中传播的压缩波波 速也随之有所增加，并且干燥条件的波速大于部分饱和条件的波速：而完全饱和 状态的波速随有效压力的变化呈波动状，没有明显的趋向，但波速值比干燥和部 分饱和条件都大，如图1 2 所示。 成都理工大学硕士学位论文 图1 1 干燥b e r e a 砂岩围压与q 值曲线 圈l _ 2m a s s ii o n 砂岩p 波波速与有效压力曲线 压缩波品质因数随有效压力的增加而增加：干燥条件衰减变化比较平稳，随 压力上升衰减缓慢减小：部分饱和衰减相比之下最大，但是，随压力增加部分饱 和与完全饱和状态的衰减有较大幅度的减小，如图1 3 所示。w i l l k l e r 把这种现 象归为与裂纹闭合有关。比较图1 1 ，图1 2 和图1 3 ，可看出随压力增加波速的 变化不如品质因数敏感。w i i 埘e r 得到的曲线也存在不够完整，没有反映破坏特 征的不足。 图l - 3m a s s i o n 砂岩q 与有效压力关系 m o l i n a 和w 如k 【2 9 】利用超声衰减来描述岩石试件的裂隙域特征。试样裂纹扩 张由一个方向的压应力获得。衰减变化量q 随应力呈线性增加，并且在达到极 限应力之前存在一个微裂纹扩张阶段。观察裂纹的方法是在压缩试样中心部分切 割一小立方体，对其相互垂直的表面作裂痕图象分析，并将结果与超声衰减进行 比较，表明衰减对裂纹扩张具有较高的敏感性，能够给出与裂隙域有关的几何信 息，但是，定量的关系还未获得。切割与裂纹直观分析具有损伤性，在很大程度 上受到限制。而超声无损测量则不受这一限制。 6 第1 章引言 国家地震局在岩石声波衰减方面进行了研究。刘祖源、唐晓明研究的结果表 明：对于反映岩石的应力水饱和程度和内部结构缺陷，衰减是敏感的物理量。单 轴压缩下，应力增大q 增加，裂隙闭合；超过破坏强度的百分之五十到七十时， q 又减小；临破坏时衰减最大，q 降至最低值【3 0 1 。 1 3 论文题目的选择 综上所述，虽然国内外学者对岩石( 体) 的超声波理论进行了大量工作，并且 在地质工程及岩石工程中进行多年的实践。在应力作用下岩石变形与破坏特征的 实验研究方面，观察到不同类型的破坏模式，并对岩石变形特征，和不同弱面结 构的岩石破坏机理进行了描述和分析，取得了有意义的成果。这些研究实践大部 分都是利用了超声波的衰减、频率及波速的特性等，但是，对超声波波速的研究 应用也多数是纵波，对超声横波的研究利用的资料并不多见。本文主要针对需要 加强研究的方面和存在的问题进行讨论。 岩石的性质主要是由组成岩石矿物的性质、岩石所处的热力学环境( 温度和 压力) 以及岩石微构造( 孔隙、裂纹等) 三类因素所决定的。在实际工程中，岩 体受到扰动后，结构上所发生的变化、裂纹扩张和新裂纹的增生，在成因上归结 于力学体系的变化，而不是其它原因，如热膨胀等因素【3 1 1 。这种力学原因带来的 岩体结构变化，对本身工程性能强弱、各向异性特征所产生的影响都很大。因而， 从力学作用入手，研究裂纹扩张性质，有助于认识岩体结构的特点，掌握分析和 评价岩体工程质量的依据【32 | 。弹性波速度和衰减的测量，可以使我们获得关于岩 石的整体性质。因此，对岩石中超声波传播时波速的研究有着较强的应用背景。 本文就是在已有的超声波速与岩石各种性质之间关系的研究理论基础上，进 一步对超声横波在岩石中传播的特性进行研究探讨。 岩石损伤力学特性的描述，一般常以岩石加载( 单轴、三轴、流体静压) 破 裂全过程实验测得的应力一应变( 轴向、横向、体积) 全过程曲线( 简称全曲线) 表示。按其曲线特征分为五个阶段，即初始裂纹闭合阶段、线弹性阶段、裂纹产 生和裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展( 累进性破坏) 和宏观破裂阶段、极限 强度后的破坏发展阶段。除上述裂纹闭合阶段、线弹性阶段、破裂和极限强度阶 段的曲线特征明显而获得一致认可外，对于裂纹产生和裂纹稳定传播阶段、裂纹 非稳定传播和宏观裂纹破裂阶段的研究，还可在如下方面深入： 一、经典理论认为，当应力超过岩石的弹性极限时，岩石变形就从线弹性阶 段进入塑性变形阶段，但其分界点的直接检测和确定困难较大，这是因为荷载作 用下的岩石原有微裂纹发展或新微裂纹刚刚产生，当卸载后将很难观察，且应力 一应变曲线有时在此处也较难区分( 特别是弹塑性岩石) ，因此，需要更加科学的 7 成都理工大学硕士学位论文 微细观检测方法进行研究。 二、对于微裂纹产生和发展的认识，研究者根据各自的研究对象，各自采用 的测量设备和方法，显示出各自的特点。由于岩石系天然产物，影响它的力学特 性的因素复杂，且线弹性与非线弹性物质在宏观、细观、微观领域中存在各种差 异，因此，研究的结果也会有所不同。这就需要有多方面的实验分析进行论证。 三、岩石的变形过程和超声波频谱的变化的研究对地震的预测有着重要的意 义( 有些地震前兆专家认为，这是大地震前兆的重要特征点之一) 。因此，加强 这方面的研究也是很有必要。 1 4 主要研究内容 论文的基本研究思路如下： ( 1 ) 岩样的采集、加工、标识矿物的选取。拟选择有一定代表性的岩石如玄武 岩、灰岩、砂岩等多种岩石。 ( 2 ) 制备岩样切片进行电子显微照相分析。并了解各状态下岩石的结构特性、 含水性、力学性质、风化及微裂纹发育特性等原始特征。 ( 3 ) 岩石超声波特性试验。对制备好的岩样加载，并采用m t s 超声波测试系 统测试岩石声学、岩石力学参数。分析岩石物理性质和裂隙性质对岩石声学性质 和力学性质的影响。特别注意岩石变形各特征点处的超声波特征及其变化及其对 应的裂纹扩展现象之间的相互关系。选取具有明显层理面的岩石，对不同层理面 方向进行超声波测试，从而分析岩石各向异性对超声波的影响。 ( 4 ) 实验结果验证分析。确立岩石变形、超声波特性和岩石裂纹扩展之间的对 应关系，通过对试验所测岩石超声波的波速、频率、衰减的分析，进一步研究岩 石在单轴受荷条件下的超声波特性。 本文主要从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 岩石超声波基本规律研究：研究岩石在加载条件下，在压密阶段、弹性阶 段和稳定破裂发展阶段各阶段对超声波波响应的主要现象和基本规律。 ( 2 ) 岩石变形特征研究：对加载应力应变曲线，根据超声波波速、振幅、频率、 衰减等参数的变化，并利用超声横波对岩石破裂扩展的敏感特性，研究其弹性极 限和稳定破裂的特征。 ( 3 ) 岩石各向异性研究：利用岩石不同层理面超声波各参数的变化，分析了超 声波波速和衰减的各向异性，从而研究和分析岩石的各向异性特征。 第1 章引 言 图1 - 4 岩石的超声波特性研究技术路线图 9 成都理工大学硕士学位论文 第2 章超声波的测试原理 2 1 波的产生和传播 岩体声波测试技术的理论基础，是岩体中声波( 或超声波) 的性质以及声波 在岩体中的传播特性，即岩石声学。而岩体声波测试技术中所涉及的声波，是在 固体介质中传播的一种机械波，特别是其中的弹性波。弹性波的实质是一种扰动 的传播，即介质质点间相互作用的传递。它是指当外力对弹性介质的某一部分产 生初始扰动时，由于介质的弹性，使这种扰动由一个质点传播到另一个质点，如 此继续传播进行下去，就形成了弹性波。扰动经过介质传播的速度称为弹性波的 “波速度 或“相速度 ；介质质点在受到扰动时的振动速度，称为质点速度。 波速度远远大于质点速度【j3 。 在介质中，波的传播与质点的振动都具有一定的方向。通常把波的传播方向 与质点振动方向一致的波叫做纵波，又称为压缩波、p 波( 图2 1 a ) ；把波的传 播方向与质点振动方向垂直的波叫做横波，又称为剪切波、s 波( 图2 1 b ) 。剪 切波只能在固体介质中传播，气体和液体介质中只有纵波可以通过【3 4 1 。 千ps 、堪l 修，毒毒耋羹 ( a ) 纵波( b ) 横波 t 表示质点运动方向 千表示渡传播方向 声波、水波、地震波都是机械波，即机械能在介质中的传播。因此声波就具 有机械波的特性。 产生声波的方法很多，如热学法、力学法、静电法、电磁法、电动法、激光 法、压电法等。目前，应用最普遍的是压电法。压电法是利用压电材料施加交变 电压，它将发生交替的压缩或拉伸，由此而产生振动。振动的频率与交变电压的 频率相同。若施加在压电晶体上的交变电压的频率在超声波频率范围内，则所产 生的振动就是超声频振动。如果把这种振动耦合到弹性介质中去，那么在弹性介 l o 第2 章超声波的测试原理 质中传播的波就是超声波1 3 5 1 。 从超声波的产生和接收可以看出，超声波发射是把电能转变为超声能的过 程，它是利用压电材料的逆压电效应，超声波的接收是把超声能转变为电能的过 程，它是利用压电材料的压电效应。为了特殊的需要，可将发射与接收超声波的 压电材料组合为一体，构成组合探头。如果有双探头组合系统，也可用一个探头 发射超声波，而用另一个探头接收超声波。 弹性波的基本性质1 3 6 j ： ( 1 ) 弹性波具有一定的传播速度或走时曲线，有一定的传播路径即射线， 在界面上要出现反