最新巖體的彈性波頻散特性及等效介質(zhì)模型研究

1、巖體的彈性波頻散特性巖體的彈性波頻散特性及等效介質(zhì)模型研究及等效介質(zhì)模型研究報(bào)告人：黃世強(qiáng)報(bào)告人：黃世強(qiáng)20122012年年9 9月月2424日日中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)地質(zhì)及勘探專業(yè)委員會(huì)中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)地質(zhì)及勘探專業(yè)委員會(huì)中中 國(guó)國(guó) 水水 利利 電電 力力 物物 探探 科科 技技 信信 息息 網(wǎng)網(wǎng) 2012年會(huì)交流論文年會(huì)交流論文目錄目錄二、巖體頻散特性理論分析二、巖體頻散特性理論分析三、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究一、前言 四、等效介質(zhì)模型研究與分析五、結(jié)語一、一、 前前 言言前 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(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)彈性波的傳播均有較大

2、的影響，使得巖體具有彈性波頻散特性，即對(duì)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(cè)試巖體的彈性波速度，彈性波速度是巖體分類與完整性評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一，由于巖體的頻散特性使得不同測(cè)試方法得到不同的波速值，導(dǎo)致巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)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(guó)科技大學(xué)合作開展相關(guān)研究。前 言巖體的結(jié)構(gòu)體形式目錄目錄二、巖體頻散特性理論分析二、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(jìn)行解釋。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖體的頻散特性開展研究，相繼提出基于復(fù)

3、合材料細(xì)觀力學(xué)的彈性波粘彈性理論：基于孔隙介質(zhì)液體流動(dòng)的biot理論模型，考慮噴射機(jī)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(xì)觀力學(xué)的彈性波粘彈性理論：2114211cos()(2 )22pctg 當(dāng)彈性波頻率由5001500hz（地震波頻率）提高到25khz（聲波頻率）時(shí)，根據(jù)粘彈性理論模型計(jì)算的波速增長(zhǎng)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(dòng)的biot理論模型：基本假定：波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所研究的宏觀體積單元。流體

4、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(shí)，孔隙中的流體為泊松流體，高頻時(shí)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(jī)制的bisq理論模型：認(rèn)為：biot機(jī)制是流體受固體骨架作用發(fā)生與波傳播方向同向的運(yùn)動(dòng)引起的，同時(shí)考慮由于彈性波對(duì)細(xì)小孔隙的噴射壓榨導(dǎo)致垂直波傳播的方向的流體流動(dòng)。巖體頻散特性理論分析根據(jù)biot模型和bisq模型，在低頻時(shí)，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%。log

5、（f）vp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(zhǎng)波長(zhǎng)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(dá)式：0122,pipjqipjqipjqipjqipjqcccccc 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(shí)，縱波速度的增長(zhǎng)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(shí)引入biot機(jī)制和熱弛豫機(jī)制。e1e0熱馳豫機(jī)制模型可以在全頻率域

6、表現(xiàn)出較明顯的頻散特性，最大增長(zhǎng)幅度可達(dá)到40%左右。但該模型在考慮巖體局部細(xì)觀結(jié)構(gòu)時(shí)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(jì)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(duì)比研究了san gregorio斷裂帶與巖塊的波速，分析不同巖塊尺度對(duì)波速的影響；mukerji(1995)、kinra(1982)等通過復(fù)合結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)來研究彈性波的尺度效應(yīng)，采用不同頻率的彈性波測(cè)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(zhǎng)與模型尺度比值有較大的關(guān)

7、聯(lián)性，高低頻彈性波速度的最大差異達(dá)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(jì)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(lì)下，其傳播速度是不同的。在工程實(shí)踐中，巖體的聲波速度往往高于地震波速度，對(duì)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(duì)于風(fēng)化、卸荷巖體，其差異要大得多，甚至達(dá)到一倍。若分別根據(jù)巖體的聲波速度和地震波速度評(píng)價(jià)巖體的完整性、風(fēng)化程度或圍巖類別，將導(dǎo)致不同的評(píng)價(jià)結(jié)果。目錄目錄三、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究 某水電工程壩區(qū)出露以玄武巖為主，主

8、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(duì)壩區(qū)69個(gè)平洞的洞壁進(jìn)行鉆孔聲波測(cè)試和地震波測(cè)試，鉆孔聲波測(cè)試使用主頻為25khz的聲波換能器，分別進(jìn)行單孔聲波測(cè)試和對(duì)穿聲波測(cè)試，鉆孔深度一般為1.5m，孔間距為1m。洞壁地震波測(cè)試則以錘擊作震源，分別測(cè)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(cè)試鉆孔與地震波測(cè)線重合，檢波點(diǎn)位于鉆孔孔口。1、現(xiàn)場(chǎng)巖體測(cè)試平洞洞壁地震波與聲波測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究平洞洞壁地震波與聲波對(duì)穿測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究 將洞壁間孔深1m范圍內(nèi)的巖體(對(duì)穿、單孔)平均聲波速度與洞

9、壁地震波縱波速度進(jìn)行比較，并按巖體卸荷、風(fēng)化分帶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 根據(jù)69個(gè)平洞的洞壁巖體聲波速度和地震波縱波速度統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明各類巖體的對(duì)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(duì)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?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究平洞洞壁巖體平洞洞壁巖體(對(duì)穿對(duì)穿)聲波與地震波縱波速度比值統(tǒng)計(jì)表聲波與地震波縱波速度比

10、值統(tǒng)計(jì)表巖性巖性弱卸荷弱卸荷無卸荷無卸荷弱風(fēng)化上段弱風(fēng)化上段弱風(fēng)化下段弱風(fēng)化下段微新微新柱狀節(jié)理玄武巖柱狀節(jié)理玄武巖1.30 1.15 1.40 1.30 1.14 微晶隱晶玄武巖微晶隱晶玄武巖1.50 1.15 1.95 1.46 1.15 斜斑玄武巖斜斑玄武巖1.36 1.16 2.14 1.42 1.17 杏仁狀玄武巖杏仁狀玄武巖1.31 1.19 1.35 1.40 1.20 平平 均均1.371.161.711.401.16現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究平洞洞壁巖體平洞洞壁巖體(單孔單孔)聲波與地震波縱波速度比值統(tǒng)計(jì)表聲波與地震波縱波速度比值統(tǒng)計(jì)表表2-1 平洞洞壁巖體聲波與地震波縱波速度比

11、值統(tǒng)計(jì)表巖性巖性弱卸荷弱卸荷無卸荷無卸荷弱風(fēng)化上段弱風(fēng)化上段弱風(fēng)化下段弱風(fēng)化下段微新微新柱狀節(jié)理玄武巖柱狀節(jié)理玄武巖1.361.13 1.92 1.37 1.12微晶隱晶玄武巖微晶隱晶玄武巖1.61 1.15 2.19 1.56 1.14 斜斑玄武巖斜斑玄武巖1.44 1.11 1.921.53 1.15 杏仁狀玄武巖杏仁狀玄武巖1.391.18 1.791.49 1.18 平平 均均1.451.431.961.491.18現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)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

12、、卸荷段巖體的聲波速度比地震波速度高一倍左右?？紤]聲波的傳播路徑，洞壁對(duì)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(duì)于微新巖體，對(duì)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(duì)不發(fā)育的微新巖體的彈性波頻散效應(yīng)相對(duì)較弱。當(dāng)然，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究 為研究玄武巖巖塊的頻散特性，在現(xiàn)場(chǎng)拾取的柱狀節(jié)理玄武巖巖塊進(jìn)行環(huán)境掃描電鏡試驗(yàn)，在不同尺度觀察玄武巖的細(xì)觀和微觀結(jié)構(gòu)，在50m以上尺度觀察時(shí)，巖樣外表比較致密；在50m以下尺度觀察時(shí)，可觀察到原始結(jié)構(gòu)面和微裂縫。

13、2、巖塊室內(nèi)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究不同尺度下破裂面的微觀形貌200m20m10m現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)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(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)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(cè)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(shí)，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(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究玄武巖巖塊聲波

14、頻率聲速關(guān)系圖現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)研究目錄目錄四、等效介質(zhì)模型四、等效介質(zhì)模型研究研究與分析與分析等效介質(zhì)模型研究與分析 無論現(xiàn)場(chǎng)巖體測(cè)試，還是室內(nèi)巖塊試驗(yàn)，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(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)研究成果，考慮巖體的細(xì)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(dòng)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(shí)內(nèi)部諸如節(jié)理、裂隙等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面對(duì)彈性波的散射作用，利用

15、頻散方程計(jì)算不同頻率的彈性波速度，提出整個(gè)頻率域上的頻散方程：122220122202 (0)()( )(0) 1()211( )()(0) ()cccdddcc 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(jì)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(shì)，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(zhǎng)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-

16、1 平洞洞壁巖體聲波與地震波縱波速度比值統(tǒng)計(jì)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(yàn)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(gè)測(cè)段進(jìn)行驗(yàn)證分析。測(cè)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(shí)測(cè)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(cè)繪資料，各測(cè)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(cè)段洞壁地質(zhì)測(cè)繪成果表洞號(hào)洞號(hào)洞深洞深(m)跡長(zhǎng)大于跡長(zhǎng)大于10cm節(jié)理節(jié)理跡長(zhǎng)小于跡長(zhǎng)小于

17、10cm節(jié)理節(jié)理?xiàng)l條/m長(zhǎng)度長(zhǎng)度(m)張開率張開率張開張開(mm)條條/m平均長(zhǎng)平均長(zhǎng)度度(cm)張開率張開率張開張開(mm)pd9219510231多閉合多閉合/1010多閉合多閉合/pd92311011351多閉合多閉合/2010多閉合多閉合/pd1332933131多閉合多閉合/808多閉合多閉合/8894101多閉合多閉合/508多閉合多閉合/pd93317417861多閉合多閉合/2010多閉合多閉合/pd93110410771多閉合多閉合/6010多閉合多閉合/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(jì)算各測(cè)段的巖體聲波速度（25khz）和地震波縱波速度（1000hz）

18、，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，其中地震波速度的相對(duì)誤差范圍為-6%+27%，平均相對(duì)誤差為+13%；聲波速度的相對(duì)誤差范圍為-7%+23%；平均相對(duì)誤差為+11%。由此表明，利用單節(jié)理等效介質(zhì)模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本符合。等效介質(zhì)模型研究與分析模型計(jì)算波速與實(shí)測(cè)波速比對(duì)分析表平洞平洞樁號(hào)樁號(hào)(m)地震波速度（地震波速度（m/s）聲波速度（聲波速度（m/s）計(jì)算值計(jì)算值實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值誤差誤差%計(jì)算值計(jì)算值實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值誤差誤差%pd9219510259384900+21%60685057+20%pd92311011354704300+27%56804959+15%pd133293343684100+7%48775230-7%889450765400-6%54065698-5%pd93317417855554500+23%58044708+23%pd93110410749814400+13%54554525+21%平平 均均+13%+11%等效介質(zhì)模型研究與分析目錄目錄五、結(jié)五、結(jié) 語語結(jié) 語 通過現(xiàn)場(chǎng)巖體測(cè)試和室內(nèi)巖塊試驗(yàn)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