节理岩体中的子波波形变化规律及其变形参数测试方法研究

Abstract: Deformation parameters of rock mass make an important role in analyzing the deformation and stability of rock mass engineering. The scattering effect of interface and establishing viscoelastic model of jointed rock mass are two key problem of measuring deformation parameters of rock mass in-situ. The amplitude spectrum and phase spectrum of stress wave propagation in rock mass change. That is waveform change. So, wavelet waveform can indicate more fully the mechanical parameters of rock mass. The waveform changes of wavelet propagating interfaces of different scales and mechanical parameters are obtained using ultrasonic wave test. The dynamic transfer mode of wavelet in interfaces is studied combined with one dimensional damping spring oscillator model. The interface is assumed as flat ellipse. The calculation model of total wave field of rock mass containing a set of interfaces is built using Green function method. The waveform of displacement of different connectivity of rock mass interfaces and different ratio of stitch length to wave length and interface distance to wave length are computed. The waveform change of wavelet within the scope of log frequency is discussed. The slit-step algorithm of scattering wave and direct wave is proposed. The unsteady function of viscosity coefficient is considered in frequency domain. The viscoelastic model of jointed rock mass is built comparing improved viscoelastic model and filter properties of jointed rock mass. Based on the direct wave waveform change rule, the measurement method of deformation parameters of jointed rock masses is proposed.

准确获取岩体变形参数对于分析岩体工程的变形和稳定性具有重要意义。结构面的散射效应和建立节理岩体的黏弹性模型是制约波动法现场测试岩体变形参数的两个关键问题。应力波在岩体中传播时振幅谱和相位谱发生变化，综合体现为波形变化，因而子波波形变化比波速、振幅和频率等参数能更全面灵敏反映岩体力学参数。通过超声试验获得子波传过不同尺度和力学特性结构面后的波形变化，结合一维阻尼弹簧振子模型，研究子波在结构面的动力传递方式；将结构面简化为扁平椭圆，采用Green函数解法建立含有一组结构面岩体的总波场计算模型，运用该模型计算不同结构面连通率、迹长与波长之比、间距与波长之比时的位移波形，分析测井频率范围内子波传过节理岩体的波形变化，提出散射波和直达波的分离算法；在频域上寻找黏性系数非定常函数，对比改进黏弹性模型与节理岩体的滤波特性，建立节理岩体的黏弹性模型，提出基于直达波波形变化规律测试节理岩体变形参数的方法。

准确获取岩体变形参数对于分析岩体工程的变形和稳定性具有重要意义。结构面的散射效应和建立节理岩体的黏弹性模型是制约波动法现场测试岩体变形参数的两个关键问题。研究子波在不同尺度和力学特性结构面的散射特性，给出散射波和直达波的分离算法，建立节理岩体的黏弹性本构模型，基于子波波形变化规律提出节理岩体变形参数测试方法，主要结论如下：.（1）将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成，根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体，对黏弹性响应的Maxwell体进行改进，构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型，对模型计算结果与试验结果进行比较，模型计算结果与试验结果吻合较好。.（2）运用波的位移位函数推导了谐波在厚黏弹性节理的透、反射系数计算公式，采用波形相关系数描述子波穿过黏弹性节理的波形变化，讨论具有一定厚度的黏弹性节理采用位移不连续模型计算的适用条件。结果表明：当节理厚度小于0.03m时，采用位移不连续模型和厚黏弹性节理模型计算得到节理力学参数非常接近；随节理厚度和子波中心频率增加，运用位移不连续模型的计算结果偏差越大。.（3）对结构面透射侧的位移分量和应力分量进行多次泰勒展开，建立了改进线弹性位移不连续模型，运用原模型和改进模型测试结构面弹性模量，结果表明：当阻抗比较小时，应选择改进模型，基于反射波的波形差异测试结构面弹性模量；当阻抗比较大时，应选择原模型，基于透射波的波形差异测试结构面弹性模量。.（4）建立充分考虑应力波在岩层多重透射、反射的传播模型，从透射波出发，利用应力波通过单一岩层的透射、反射系数计算出入射侧测点的计算波形，以节理的波速作为未知数，用入射侧测点的计算波形拟合实测波形，得到节理的波速，根据弹性模量和泊松比与波速之间的关系式，计算出节理的弹性模量和泊松比。对现场厚度为0.04 m的节理进行了6次试验，6次试验的结果相近，说明该测试方法具有很好的稳定性。