不同粒径大理岩样声学特性的研究

基于不同粒径大理岩样进行了超声波测试,研究了浸水时间和宏观裂隙对波速的影响规律,以及岩样声学参数的离散程度。结果表明,浸水时间对岩样的纵波速度有很大的影响,但对横波速度影响甚微;宏观裂隙的存在降低了岩样的纵波速度,波幅降低程度与岩样破坏程度有关;随着岩石平均粒径的增大,岩石的声学参数先减小后增大,并非单调关系,而且动态泊松比的变化幅度明显高于其他声学参数,不能作为材料的力学参数表征岩石的变形特性。      

公伯峡电站开挖边坡古风化岩松弛与工程特性变化研究

利用公伯峡电站泄水洞左岸边坡开挖过程中获得的各种资料,分析、研究边坡在开挖后岩体松弛程度和工程特性的变化。分析表明,边坡开挖后,一定深度范围内边坡岩体将松弛,松弛带的厚度可以通过现场调查、地震波速、声波速度来划分。岩体发生松弛后,松弛带岩体力学参数明显降低。开挖后尽快支护是防止边坡岩体松弛有效方法之一。     

峰前卸荷对节理岩体力学特性影响试验研究

实际工程中,岩体的应力变化状态非常复杂,并不只是简单的加载或者卸荷,如水利工程中的大坝,当坝基开挖时其力学条件主要表现为开挖方向的卸荷(其他方向有可能卸荷,也有可能加载),而坝体修筑以后,力学条件又主要表现为加载。因此,对卸荷损伤后的岩体再次加载时的力学性质进行研究具有十分重要的工程意义。通过三轴卸荷及卸荷损伤后加载破坏试验,研究了不同围压下,含断续预制节理岩体经过不同程度卸荷损伤后再次加载时的力学特性。研究结果表明:围压对于含断续节理岩体变形模量影响不明显,岩体弹性模量与围压没有明显关系,相同围压下节理岩体弹性模量和变形模量均显著低于完整岩体:节理岩样峰值应变随着围压的增大线性增大,二者之间有较好的相关性,相比于完整岩样,节理岩体峰值应变随围压增大增长更快:围压越低,卸荷对岩体强度的影响越大,随着围压增加,卸荷量不同造成岩样的损伤差异逐渐减小。     

注采参数对松辽盆地干热岩物理力学及波动特征的影响

为探究注采参数对松辽盆地干热岩物理力学及波动特征的影响,对不同注采参数下高温遇水冷却后花岗岩进行纵、横波波速测试试验和抗压强度试验。分别考虑注采参数（岩样温度、水温、高温遇水循环次数） 与岩样物理力学特征（外观形态、峰值强度、弹性模量、泊松比）、波动特征（纵、横波波速） 的关联性,建立不同注采参数下力学特征与波动特征拟合曲线,并研究搁置过程中不同岩样温度、不同水温条件下岩体物理力学及波动特征变化规律。研究发现：（1） 搁置初期,岩样温度越高,质量、纵、横波波速、弹性模量降幅越大;水温升高,质量、纵、横波波速、弹性模量降幅先增大后减小。（2） 对采热过程中岩体物理力学及波动特征影响由大到小的注采参数依次为靶区温度、注水循环次数、注水温度。提升岩样温度、增加注水循环次数,岩样力学与波动特征均逐渐下降,提高注水温度变化规律与其相反;经历600℃高温,岩样纵波波速、横波波速、峰值强度、弹性模量降幅分别达到53.44%、58.02%、66.56%、79.84%,高温遇水循环5 次 后降幅依次达到33.61%、33.63%、34.22%、56%。（3） 影响岩样力学与波动特征关联性的注采参数由大到小依次为岩样温度、高温遇水循环次数、水温。此研究能够为松辽盆地热采注采参数的选取提供一定参考。     

开挖卸荷对砂岩力学特性影响试验研究

卸荷作用广泛存在于人类的工程活动和地质作用过程中,岩体在卸荷条件下的力学特性研究一直是工程界探讨的热点问题之一。根据实际边坡工程开挖后应力变化状态确定试验方案,进行了砂岩三轴卸荷破坏试验,研究了卸荷状态下岩体的应力应变特征、破坏特征及力学参数变化规律,并与加载破坏试验数据进行了对比分析。试验结果表明,卸荷破坏时岩样变形模量随着卸荷量的增加可降低5%～42%左右,二者之间的关系可用指数函数拟合;卸荷破坏时岩体的峰值应变随围压线性增长,残余应变与围压无明显关系;相比于加载破坏,卸荷破坏时岩体凝聚力c值降低了4%左右,内摩擦角? 增加了12%左右;卸荷速率对岩样强度和变形参数有较大影响;卸荷条件下岩体破坏具有沿卸荷方向强烈扩容特征,主要表现为张剪破坏,并伴随有环向裂纹,初始围压越高,卸荷程度越强烈,岩体的破碎程度越高。     

基于现场试验的岩体变形模量尺寸效应研究

岩体力学参数具有随机性和不确定性,合理确定岩体力学参数是岩土工程稳定性分析的基础和关键。以某水电站前期研究的110个钻孔弹模测试数据为研究样本,对其进行了统计特征分析,确定变形模量的概率分布特征更符合Weibull分布。以钻孔弹模仪承压板尺寸为岩体变形模量研究的样本尺度,岩体由该尺度的岩样叠加而成,建立了不同尺寸的立方体岩体数值分析模型,按照Weibull分布随机给出各岩样的变形模量,在此基础上对不同尺寸的岩体分别进行5 000次单轴压缩试验的数值模拟,得到了不同尺度岩体等效变形模量的变化特征,确定了岩体等效变形模量的REV。基于现场实测岩体变形模量与概率统计理论相结合研究岩体变形模量是一个新的尝试,可为该水电站工程岩体力学参数的合理取值提供依据。     

基于声波频谱特征的岩体爆破累积损伤效应分析

为深入揭示岩体爆破累积损伤效应及其与岩体声学特性之间的内在联系,在某地下工程围岩中进行了10次小药量爆破,并开展了岩体损伤现场声波测试。基于快速傅立叶变换(FFT),探讨了声波在爆破损伤岩体中传播时的衰减特性,分析了声波主频、频域内最大振幅等岩体声学参数随爆破次数不断增加的变化特性,同时探讨了围岩松动圈厚度、声波换能器间距、爆心距等因素的影响。研究结果表明,随爆破次数增加,岩体爆生裂隙不断增加和扩展,声波信号中的高频成分不断被吸收,低频成分所占比例增加,主频向低频方向偏移,频谱曲线畸变程度增加;声波主频比和频域最大振幅比均呈非线性降低趋势,频域最大振幅比对岩体爆破损伤的敏感性高于声波主频比;随爆心距增大,岩体声波频谱变化程度逐渐减弱。声波换能器间距越大,声波主频变化越大,频域内最大振幅衰减变化越显著。研究成果对于丰富和完善岩体爆破累积损伤效应声学研究方法具有一定的参考意义。     

库水波动带岸坡原位声波测试及劣化特性研究

为了揭示库水波动带内岩体在库水位周期性升降,干-湿循环条件下,其物理力学性质变化特征,掌握不同岩性的劣化改造过程和差异性。选择消落带内变形破坏强烈的侏罗系库岸斜坡,在宏观调查的基础上,运用单孔、跨孔声波测试方法进行原位试验测试,同时进行原位样品试件采集,运用干湿循环、力学测试、耐崩解等手段进行室内试验测试。原位单孔声波测试K_V值为0.2~0.51,跨声波测试K_V值为0.46~0.91,表明岩体横向完整性差,纵向完整性相对较好,并且消落带内岩体随着高程的降低,其岩体完整性呈下降趋势;试件力学测试结果表明,20次干-湿循环后其强度平均下降30%~45%,且摩擦系数和黏聚力参数均呈逐渐降低趋势;耐崩解性试验表明,干-湿循环条件下,岩石耐崩解性逐渐降低,5次干-湿循环后,试件耐崩解性指数降低量达3.1%~20.2%。试验结果均证实了消落带内岩体受库水影响强烈,岩体长期在干-湿循条件下,其物理力学性质呈降低趋势,不同岩性劣化程度不同,岩体总体向破碎、解体的趋势发展,并且具有渐进性和累积性。     

损伤破裂砂岩单轴蠕变特性试验研究

深部岩体工程处于高应力环境中,开挖破裂后的工程岩体在持续的高地应力作用下具有很强的时间效应,深入研究其峰后蠕变特性,具有重要的理论和实际应用价值。先采用RMT-150B型岩石力学试验系统对完整岩样进行单轴峰前屈服、峰后破裂卸载试验,制备出具有不同破裂损伤程度的峰前屈服、峰后破裂的损伤岩样;再采用RLW-2000型微机伺服岩石三轴流变仪对其进行单轴蠕变试验,研究其单轴蠕变力学特性。研究结果表明：损伤岩样波速与完整岩样相比,均出现了不同程度的降低;损伤岩样各级应力水平下,瞬时应变量均是随着应力水平的增加而逐步增加,且均符合线性函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样瞬时应变明显大于峰前屈服损伤岩样;各级应力水平下,总体上各蠕变量随着应力水平的增加而逐步提高,且均符合指数函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样蠕变量明显大于峰前屈服损伤岩样,且随着荷载水平的进一步提高,两者差异程度增加;损伤岩样各瞬时变形模量随着应力水平的增加均逐步提高,两者之间符合线性函数关系;各应力水平下对应的瞬时变形模量存在明显差异,岩样损伤程度越高,瞬时变形模量越低;各损伤岩样在各级应力水平下,改进的西原模型能够较好地模拟其单轴蠕变特征。     

南海神狐海域天然气水合物声波测井速度与饱和度关系分析

利用南海北部神狐海域A站位的地震和测井资料综合分析神狐海域含天然气水合物沉积层的声波测井速度及水合物饱和度的分布特征和变化规律,并对水合物饱和度的理论计算值和实测值进行对比分析,同时对水合物稳定带的纵波速度特征与饱和度的关系进行了综合研究。结果表明：神狐海域A站位的水合物层厚度约20 m,纵波速度在1 873～2 226m/s之间,水合物饱和度在15.0%～47.3%之间变化,水合物饱和度值相对较高;受海底复杂地质因素的影响,根据岩心孔隙水的氯离子淡化程度实测的水合物饱和度随声波速度的变化并不是单一的正比例关系,而是随声波速度的升高而上下波动,波动幅度在10%～20%之间,总体趋势上随声波速度的升高而升高,并集中分布在理论曲线附近;利用热弹性理论速度模型计算并校正后的水合物饱和度随声波速度的增加而有规律地增加,水合物饱和度的理论计算值与实测数据比较吻合,说明所建立的岩石物理模型正确,模型参数选取合理。根据声波速度计算水合物饱和度这一方法可扩展到整个研究区域,并为研究区的水合物资源量评价提供基础数据。     

不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤

为了探究不同含水率砂岩单轴压缩下力学特性及损伤变化情况,首先对5种不同含水率砂岩进行静态单轴压缩实验,获得其物理力学参数;而后利用超声波检测仪测量该5种不同含水率砂岩的波速,将该批次砂岩加载到80%峰值强度后卸载到0,测量此时砂岩声波波速,利用声波法定义损伤,研究含水率对砂岩损伤的影响。结果表明:单轴压缩下,砂岩的峰值强度及弹性模量随含水率升高逐渐降低,而峰值应变变化呈相反趋势;总功及弹性能随含水率增加而下降,耗散能随含水率增加而增大。实验前声波波速随含水率升高逐渐减小,实验后声波波速随含水率升高而下降,且下降趋势较实验前更迅速;砂岩的残余塑性变形和内部损伤均随含水率升高逐渐增大。研究结果可为现场岩石损伤测试提供依据。      

节理岩体超声测试及单轴压缩试验研究

为了获取节理岩体各向异性力学特性和声波传播规律的相互关系,通过制作圆柱形单一预制贯通节理试件,开展了7种不同倾角节理试件的超声波波速测试和单轴压缩试验。试验结果表明：（1）节理试件波速测试值离散性较大,但总体服从正态分布,波速平均值介于石膏试件和完整试件之间,波速随节理倾角增大呈线性递减;（2）不同倾角的节理面对节理试件力学特性的影响很大,在应力-应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式上均表现出显著的各向异性特征;（3）节理试件的力学性质和超声波传播特性变化规律区别很大,采用超声波波速确定节理试件的力学参数会存在很大误差。     

Assessment of the Excavation-Damaged Zone in a Tall Rock Slope Using Acoustic Testing Method

During slope excavation, high stresses can become concentrated in the rock mass because of stress redistribution. Failure of the rock mass creates an excavation-damaged zone (EDZ) in the slope. The damage reduces the acoustic wave velocity in the rock mass. Results of field tests measuring acoustic wave velocity at the Jinping I Hydropower Station are used here to study the EDZ in a tall rock slope. Two acoustic testing methods were adopted in the field tests: single-hole acoustic testing (SAT) and cross-hole acoustic testing (CAT). The acoustic wave velocity was lower in the EDZ, and the depth of the EDZ increased with decreasing slope elevation. Statistical analysis shows that the acoustic wave velocity obtained by the SAT method is larger than that obtained by the CAT method, and the relative difference between the SAT- and CAT-derived velocities is lower for a high quality rock mass than for a low quality rock mass. The integrity ratio and severity of damage can also be determined by acoustic wave velocity test results, revealing that the integrity ratio and elastic modulus of a rock mass are reduced in the EDZ.     

风化花岗岩声谱特征分析

岩石材料可视为声波的天然低通滤波器 ,声波在不同力学性质岩石材料中传播时 ,由于岩石对声波吸收程度不等因而高频声波滤除状况也不同。接收波中频率丰富程度与岩 石 的力学性质密切相关,岩石力学强度愈高,声谱中高频成分就愈丰富。反之,声谱中主要为 低频,高频分量因衰减而缺失。实验采用全数字化DB4型多波参数分析仪和计算机,对波形 数据进行FFT分析,通过接收谱和频率响应的特征来研究岩石的力学性质。声衰减研究可为 岩石、岩体强度和综合评价提供更多、更可靠的信息,是解决工程地质风化岩问题研究的一 种可行方法。     

单轴加载过程中砂岩声学特性研究

岩体的声学特性与应力状态和破坏程度密切相关,通过岩体声学特性的变化来分析岩体应力状态进而评价工程稳定性是一种行之有效的工程措施。针对砂岩开展了单轴压缩试验,并在加载过程中同步进行3个方向的声波测试,获得了砂岩加载过程中3个不同方向声波波速与应力的演化规律。试验结果表明：随着应力的增加,轴向波速逐渐增大,横向波速表现出先增后减的趋势。考虑到不同方向声波测试结果的差异性,采用含不同倾角裂隙的石膏试样进行声波试验。结果表明,当裂隙方向与声波传播方向一致时,波速最大,与声波传播方向垂直时,波速最小;此外,为分析岩样波速与应力状态的相关性,建立了波速与体应变的关系,结果表明,随着体应变的增加,平均波速逐渐增大,在体应变达到最大值附近时,平均波速达到最大值,在体应变下降阶段,波速开始下降;根据轴向波速与应力的变化规律,得到了应力与波速的指数函数拟合公式,据此可以通过现场测试获得的波速预测现场岩体的应力范围,进而评价工程岩体稳定性。     

岩土超声波测试研究进展及应用综述

超声波在岩土介质中传播时携带了许多与岩土物理力学性质有关的信息,这些信息可综合反映到声学参数如超声波速、衰减系数、波形、频率、频谱及振幅等的变化上,根据这些参数可反演得到岩土体的物理力学指标及细观结构特征,从而解决一系列的岩土工程问题。首先对超声波无损检测可以解决的岩土工程问题进行了概述。其次系统地阐述了土体和岩石(体)超声试验的研究进展:土体强度参数声学特性的试验研究、土体微结构参数的超声探测、岩石强度参数的超声测试研究、超声波速在岩石破裂方面的应用研究、超声波声波衰减在岩石材料中的应用、超声波速度和衰减各向异性的研究及超声波流体流动试验的研究。最后,笔者将超声波测试拓宽到土石混合体研究领域,探讨了不同含石量试样的波速和衰减规律,以及损伤声学参数对试样在单轴压缩作用下裂纹扩展的细观损伤特性的研究,更进一步说明了土石混合材料即不有别于土也不同于岩的特殊性。在以上研究基础上,基于超声波岩土试验国内外研究动态的总结,对其未来的发展趋势进行了展望。     

准各向同性裂隙岩体中有效动弹性参数与弹性波速关系的研究

从弹性波在介质中传播的特点和弹性波法在岩体工程中的实际应用情况方面,分析了弹性波在含裂隙岩体介质中的传播特征。将岩体中裂隙呈随机分布的裂隙岩体似为准各向同性裂隙岩体,根据能量平衡原理、岩石断裂力学理论和卡氏最小功能定理(Castiglano’s theorem),确定了准各向同性裂隙岩体的有效动弹性参数( 、 、 )与裂隙密度参数(Xv)的数学关系。在此基础上,根据各向同性介质中传播的弹性波理论,建立了准各向同性裂隙岩体中弹性波速( 、 )和 / 与裂隙密度参数(Xv)之间的关系。理论研究表明,在此裂隙岩体中,有效动弹性参数和弹性波速与裂纹密度参数之间相互的关系均近似成倒数函数的非线性关系;裂隙密度参数增加,有效动弹性模量( )也减少,弹性波速( , )也减小;在裂隙密度参数较小时,此裂隙岩体的有效弹性模量和弹性波速随裂隙密度参数的变化较大,说明裂隙体的有效弹性参数和弹性波速对裂隙体非常敏感。     

岩石脆性临界破坏的波速特征分析

根据岩石加载破坏过程中应力-应变和波速-应变曲线所反映的的波速变化特征,研究了岩石声波传播速度与其加载变形过程的相关性。研究表明:岩石破裂前波速及特征参数随着变形破坏阶段变化会有显著改变,特别是应力水平到达70%⁸0%之后,当加载破坏过程中岩石的裂隙大量增加后波速参数出现突变。这是由于在膨胀点附近岩石中微裂隙迅速丛集式增长,改变了岩石内部的微观结构,导致岩石波速降低。伴随着波速降低,波速走时急剧增大,离散度增大;S波和P波的振幅减小,但其振幅比急剧增大;S波、P的波Q值也会出现突变。通过对岩石加载过程中的波速变化与应力-应变曲线之间的关联性分析,利用波速信息变化可以实现对岩石脆性破裂前兆的识别。