复杂层状岩体中应力波时空衰减规律与岩体结构量化研究

岩体结构对岩体的力学特性起控制作用，如何合理量化岩体结构的几何和力学参数是岩体质量评价和稳定性分析的关键问题。岩体中存在尺度不一和复杂多变的结构面，而岩体露头有限和波速对小尺度结构面不敏感，是制约快捷有效量化岩体结构的主要问题。不同频率的应力波衰减能有效反映岩体中不同尺度的结构面，因而基于应力波时空衰减规律分析岩体结构的方法是解决快捷量化岩体结构的有效途径。本项目以复杂层状岩体为研究对象，在岩体露头选择典型的层内和层间结构面进行试验研究，结合模型试验和数值计算的结果，分析不同尺度结构面对应力波的振幅衰减和滤波特性，提炼出有效反映结构面传播特性的无量纲量，建立应力波的时、空衰减模型，运用应力波能量传播理论分析特征波形的形成过程，研究特征波形的时空衰减与岩体结构面的几何和力学参数的关系，提出应力波的时、空衰减规律相结合量化岩体结构的方法。研究成果为快捷量化岩体结构和波动探测奠定理论与技术基础。

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。子波波形综合反映了应力波在岩体中传播时的振幅谱和相位谱变化，因而比波速、振幅和频率等参数能更全面灵敏反映岩体力学参数。本项目研究了应力波在岩层内、岩体节理、层状岩体中的传播规律，提出了岩体节理刚度和软弱夹层弹性模量的波动测试方法，讨论了该方法的测试误差和适用条件，主要研究结论如下。. (1)Kelvin介质的选择性吸收引起子波的频谱特性发生变化，随传播距离增加，子波特征频率呈负指数规律减小，并趋于稳定值；随着弹性模量减小和黏性系数增加，形成稳定波形的距离减小。. (2)忽略节理质量时，采用位移不连续模型计算得到的P波反射系数、SV波透、反射系数都偏大，而P波透射系数明显偏小，随节理厚度增加，偏差增加；节理对应力波的选择性吸收引起子波主瓣不突出，其中节理法向的刚度和黏性系数是引起子波波形变化的主要因素。. (3)采用波形匹配追踪法建立应力波在节理传播的时域模型，并验证了该模型的合理性，运用该模型提出了在时域波形上直接计算节理刚度的方法。. (4)弹性层状岩体具有多尺度梳状滤波器的特性，随岩层厚度与波长之比增加，由层内多重透、反射引起振幅透射系数和反射系数成大尺度周期性变化，大尺度周期为=0.5，在一个大尺度周期内存在一个带通和一个带阻，在带通内又存在多个小尺度周期，是由层间多重透、反射形成的，黏弹性层状岩体总体表现为低通滤波，在低通滤波范围内存在多个带通和带阻。 . (5)完整岩体总体上表现为低通滤波，在低通滤波范围内具有非等间距带通滤波特性，在吸收频率过渡带，应力波衰减系数随频率变化非常快，黏性系数非定常Maxwell模型能够有效描述应力波在完整岩体中的衰减系数变化规律；岩体越破碎，滤波能力越强，低通范围越小，吸收频率过渡带陡度参数越小。.(6)基于波形变化规律提出节理刚度测试方法，该方法具有很好的重复性，当节理厚度小于0.1 m，测试误差小于15.0%，研究结果表明，随测点与节理间的距离增加，测试误差先减小后增加；存在一个合理测点位置，通过数值计算和现场试验确定测点与节理间的合理距离为10~20cm。. (7)针对软弱夹层与两侧岩体的力学参数具有渐变性，建立应力波在软弱夹层的传播模型，提出软弱夹层弹性模量的动力测试方法，在测井频率范围内，随着子波主频增加，软弱夹层的动态弹性模量近似成线性增加。