巖體的彈性波頻散特性及等效介質(zhì)模型研究.ppt

巖體的彈性波頻散特性 及等效介質(zhì)模型研究,報告人：黃世強 2012年9月24日,中國水力發(fā)電工程學(xué)會地質(zhì)及勘探專業(yè)委員會 中 國 水 利 電 力 物 探 科 技 信 息 網(wǎng) 2012年會交流論文,目錄,二、巖體頻散特性理論分析,三、現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,一、前言,四、等效介質(zhì)模型研究與分析,五、結(jié)語,一、 前 言,前 言,巖體是天然形成的地質(zhì)體，屬于一種多組分非均勻材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體。巖體中的宏觀結(jié)構(gòu)和細觀結(jié)構(gòu)對彈性波的傳播均有較大的影響，使得巖體具有彈性波頻散特性，即對于不同頻率的彈性波，在巖體中的傳播速度將有所差異。水電工程一般采用聲波或地震波測試巖體的彈性波速度，彈性波速度是巖體分類與完整性評價的重要參數(shù)之一，由于巖體的頻散特性使得不同測試方法得到不同的波速值，導(dǎo)致巖體質(zhì)量評價結(jié)果的不一致性，這種情況在諸多工程中均有出現(xiàn)，為此，我院與中國科技大學(xué)合作開展相關(guān)研究。,前 言,巖體的結(jié)構(gòu)體形式,目錄,二、巖體頻散特性理論分析,巖體頻散特性理論分析,大量的研究成果資料表明，巖體的彈性波頻散特性客觀存在，但無法利用經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)彈性波理論進行解釋。近年來國內(nèi)外學(xué)者針對巖體的頻散特性開展研究，相繼提出基于復(fù)合材料細觀力學(xué)的彈性波粘彈性理論：基于孔隙介質(zhì)液體流動的Biot理論模型，考慮噴射機制的BISQ理論模型，考慮巖體裂紋的Hudson微擾理論模型和考慮巖體弛豫的熱弛豫模型等，或研究巖體中彈性波的散射問題，試圖利用這些理論或模型解釋巖體的彈性波頻散特性。,巖體頻散特性理論分析,1、基于復(fù)合材料細觀力學(xué)的彈性波粘彈性理論：,當(dāng)彈性波頻率由5001500Hz（地震波頻率）提高到25kHz（聲波頻率）時，根據(jù)粘彈性理論模型計算的波速增長不超過20%。,巖體頻散特性理論分析,2、基于孔隙介質(zhì)液體流動的Biot理論模型：,基本假定：波長遠遠大于所研究的宏觀體積單元。流體和固體相的位移均為小位移。所研究的液相是連續(xù)的。假設(shè)基質(zhì)是各向同性的。不考慮熱力耦合等耦合現(xiàn)象。低頻時，孔隙中的流體為泊松流體，高頻時需作與孔隙形狀有關(guān)的校正。,巖體頻散特性理論分析,3、考慮噴射機制的BISQ理論模型：,認(rèn)為：Biot機制是流體受固體骨架作用發(fā)生與波傳播方向同向的運動引起的，同時考慮由于彈性波對細小孔隙的噴射壓榨導(dǎo)致垂直波傳播的方向的流體流動。,巖體頻散特性理論分析,根據(jù)Biot模型和BISQ模型，在低頻時，縱波速度隨頻率的變化幅度均不大。Biot模型頻散效應(yīng)只在臨界頻率附近狹窄的區(qū)域有變化，但幅度約在1%；BISQ模型頻散效應(yīng)在高于臨界頻率附近狹窄的區(qū)域較明顯，幅度約在10%。,巖體頻散特性理論分析,4、考慮巖體裂紋的Hudson微擾理論模型：,Hudson用等效介質(zhì)理論，考慮具有較長波長的波在破碎巖體中的傳播問題，得到由于裂隙的存在波速和彈性常數(shù)的表達式：,根據(jù)Hudson的微擾理論模型，彈性波由5001500Hz（地震波頻率）提高到25kHz（聲波頻率）時，縱波速度的增長幅度不超過20%。,巖體頻散特性理論分析,5、考慮巖體弛豫的熱弛豫模型：,席道瑛等在Biot方程中引入唯象的復(fù)模量替換有關(guān)固體骨架模量的部分，在新的Biot方程中同時引入Biot機制和熱弛豫機制。,熱馳豫機制模型可以在全頻率域表現(xiàn)出較明顯的頻散特性，最大增長幅度可達到40%左右。但該模型在考慮巖體局部細觀結(jié)構(gòu)時有困難。,巖體頻散特性理論分析,根據(jù)現(xiàn)有各種彈性波頻散理論模型計算，不同頻率彈性波的速度差異并不大，不能完全解釋巖體的頻散現(xiàn)象。最新的研究成果表明，巖體還具有彈性波尺度效應(yīng)特征。Gettemy等(2004)對比研究了San Gregorio斷裂帶與巖塊的波速，分析不同巖塊尺度對波速的影響；Mukerji(1995)、Kinra(1982)等通過復(fù)合結(jié)構(gòu)模型實驗來研究彈性波的尺度效應(yīng)，采用不同頻率的彈性波測試其傳播速度，試圖揭示彈性波尺度效應(yīng)的現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈性波速度和波長與模型尺度比值有較大的關(guān)聯(lián)性，高低頻彈性波速度的最大差異達到70%左右。,復(fù)合結(jié)構(gòu)模型的尺度效應(yīng)圖（Mukerji）,巖體頻散特性理論分析,巖體頻散特性理論分析,彈性波頻散理論模型計算和尺度效應(yīng)研究成果均表明，巖體的頻散特性客觀存在，巖體在不同頻率的彈性波激勵下，其傳播速度是不同的。在工程實踐中，巖體的聲波速度往往高于地震波速度，對于新鮮、完整的均質(zhì)性較好的巖體，其差異一般為7%12%；而對于風(fēng)化、卸荷巖體，其差異要大得多，甚至達到一倍。若分別根據(jù)巖體的聲波速度和地震波速度評價巖體的完整性、風(fēng)化程度或圍巖類別，將導(dǎo)致不同的評價結(jié)果。,目錄,三、現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,某水電工程壩區(qū)出露以玄武巖為主，主要有斜斑玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、柱狀節(jié)理玄武巖、杏仁狀玄武巖等，在前期勘察階段對壩區(qū)69個平洞的洞壁進行鉆孔聲波測試和地震波測試，鉆孔聲波測試使用主頻為25kHz的聲波換能器，分別進行單孔聲波測試和對穿聲波測試，鉆孔深度一般為1.5m，孔間距為1m。洞壁地震波測試則以錘擊作震源，分別測試洞壁巖體的縱波速度和橫波速度，地震波縱波的主頻一般為5001500Hz，檢波距為1m。 洞壁聲波測試鉆孔與地震波測線重合，檢波點位于鉆孔孔口。,1、現(xiàn)場巖體測試,平洞洞壁地震波與聲波測試,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,平洞洞壁地震波與聲波對穿測試,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,將洞壁間孔深1m范圍內(nèi)的巖體(對穿、單孔)平均聲波速度與洞壁地震波縱波速度進行比較，并按巖體卸荷、風(fēng)化分帶進行統(tǒng)計。 根據(jù)69個平洞的洞壁巖體聲波速度和地震波縱波速度統(tǒng)計分析，結(jié)果表明各類巖體的對穿聲波速度和單孔聲波速度均普遍高于同一部位的地震波縱波速度。對穿聲波速度：弱卸荷和無卸荷巖體的平均比值分別為1.37和1.16，弱風(fēng)化上段、弱風(fēng)化下段和微新巖體的平均比值分別為1.71、1.40和1.16； 單孔聲波速度：弱卸荷和無卸荷巖體的平均比值分別為1.45和1.43，弱風(fēng)化上段、弱風(fēng)化下段和微新巖體的平均比值分別為1.96、1.49和1.18。,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,平洞洞壁巖體(對穿)聲波與地震波縱波速度比值統(tǒng)計表,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,平洞洞壁巖體(單孔)聲波與地震波縱波速度比值統(tǒng)計表,表2-1 平洞洞壁巖體聲波與地震波縱波速度比值統(tǒng)計表,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,由此可見，無論單孔聲波或?qū)Υ┞暡ǎ瑤r體聲波速度與地震波速度的差異較大，且隨著巖體風(fēng)化、卸荷的加劇，巖體聲波速度與地震波速度之間的差異愈加明顯，弱風(fēng)化、卸荷段巖體的聲波速度比地震波速度高一倍左右。考慮聲波的傳播路徑，洞壁對穿聲波的傳播路徑與洞壁地震波傳播路徑更加相近，兩者的波速更具有可比性。 對于微新巖體，對穿聲波速度與地震波縱波速度的比值范圍為1.141.20，平均值均為1.16，說明節(jié)理相對不發(fā)育的微新巖體的彈性波頻散效應(yīng)相對較弱。當(dāng)然，現(xiàn)場測試結(jié)果所表現(xiàn)的巖體頻散現(xiàn)象是巖體頻散效應(yīng)和尺度效應(yīng)的綜合反映。,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,為研究玄武巖巖塊的頻散特性，在現(xiàn)場拾取的柱狀節(jié)理玄武巖巖塊進行環(huán)境掃描電鏡試驗，在不同尺度觀察玄武巖的細觀和微觀結(jié)構(gòu)，在50m以上尺度觀察時，巖樣外表比較致密；在50m以下尺度觀察時，可觀察到原始結(jié)構(gòu)面和微裂縫。,2、巖塊室內(nèi)試驗,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,不同尺度下破裂面的微觀形貌,200m,20m,10m,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,不同尺度下觀察玄武巖微觀形貌,50m尺度,10m尺度,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,為研究玄武巖巖塊的彈性波頻散特性，制作一塊玄武巖試件，試件尺寸為41mm41mm21mm。分別采用25 kHz、50 kHz、400 kHz、600 kHz和1000kHz頻率的聲波測試其聲波縱波速度，為4700m/s、4750m/s、5200m/s、5500m/s和6000m/s；當(dāng)彈性波頻率從25kHz增加到1000kHz時，玄武巖巖塊的波速約提高27.6%，呈現(xiàn)明顯的頻散特征。,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,玄武巖巖塊聲波頻率聲速關(guān)系圖,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗研究,目錄,四、等效介質(zhì)模型研究與分析,等效介質(zhì)模型研究與分析,無論現(xiàn)場巖體測試，還是室內(nèi)巖塊試驗，結(jié)果均表明，玄武巖巖體（或巖塊）的彈性波速度與頻率相關(guān)，頻率越高，波速越高，頻散特征愈加明顯。 根據(jù)試驗室和現(xiàn)場研究成果，考慮巖體的細觀和宏觀結(jié)構(gòu)特性，以巖體的密度、泊松比、節(jié)理發(fā)育率等地質(zhì)參數(shù)，建立巖體單節(jié)理等效介質(zhì)模型，采用多尺度分析方法研究巖體的彈性波頻散效應(yīng)（包含尺度效應(yīng)）。在波動方程的基礎(chǔ)上，引入裂紋面自由邊界條件，采用基本奇異格林函數(shù)，結(jié)合邊界積分方法，研究彈性波入射巖體時內(nèi)部諸如節(jié)理、裂隙等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面對彈性波的散射作用，利用頻散方程計算不同頻率的彈性波速度，提出整個頻率域上的頻散方程：,等效介質(zhì)模型研究與分析,利用上述頻散方程，根據(jù)巖體的地質(zhì)參數(shù)，獲得不同參數(shù)條件的頻散特性曲線，用于計算巖體的不同頻率的彈性波速度。 典型的單節(jié)理等效介質(zhì)模型，彈性波頻率從50Hz到100kHz，彈性波速度總體上有增大趨勢，呈現(xiàn)明顯的頻散效應(yīng)，而且節(jié)理密度越大，頻散效應(yīng)越明顯；在彈性波頻率從1kHz至10kHz曲線段，彈性波速度增長速率最大，表明此頻率段的巖體頻散效應(yīng)愈加明顯 。,等效介質(zhì)模型研究與分析,典型單節(jié)理等效介質(zhì)模型頻散圖,表2-1 平洞洞壁巖體聲波與地震波縱波速度比值統(tǒng)計表,（圖中n為節(jié)理密度，u為泊松比）,等效介質(zhì)模型研究與分析,為驗證單節(jié)理等效介質(zhì)模型的符合性，在PD133、PD921、PD923、PD931、PD933平洞內(nèi)選取6個測段進行驗證分析。測段的巖性有斜斑玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖和柱狀節(jié)理玄武巖等，包括不同風(fēng)化、卸荷帶的巖體，實測巖體地震波縱波速度范圍為41005400m/s，聲波速度范圍為45255698m/s，完整巖塊的波速為6450m/s，根據(jù)平洞地質(zhì)測繪資料，各測段的節(jié)理發(fā)育情況見下表。,等效介質(zhì)模型研究與分析,各測段洞壁地質(zhì)測繪成果表,等效介質(zhì)模型研究與分析,根據(jù)單節(jié)理等效介質(zhì)模型，分別計算各測段的巖體聲波速度（25kHz）和地震波縱波速度（1000Hz），與現(xiàn)場實測值進行對比，其中地震波速度的相對誤差范圍為-6%+27%，平均相對誤差為+13%；聲波速度的相對誤差范圍為-7%+23%；平均相對誤差為+11%。由此表明，利用單節(jié)理等效介質(zhì)模型計算的結(jié)果與實測值基本符合。,等效介質(zhì)模型研究與分析,模型計算波速與實測波速比對分析表,等效介質(zhì)模型研究與分析,目錄,五、結(jié) 語,結(jié) 語,通過現(xiàn)場巖體測試和室內(nèi)巖塊試驗研究玄武巖巖體的彈性波頻散特性，采用多尺度分析方法，提出以巖體密度、泊松比、節(jié)理發(fā)育密度、節(jié)理張開度等地質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)的單節(jié)理等效介質(zhì)模型，探討巖體頻散效應(yīng)對不同頻率彈性波傳播速度影響程