不同岩性及含水率的岩石声波传播规律试验研究

利用智能声波仪对红砂岩、大理岩和花岗岩试样在干燥及饱和条件下进行了声波纵波透射试验,研究声波在岩石中传播的速度特征,同时利用傅里叶变换及小波变换研究声波在岩石中传播的波形、波幅衰减规律、波谱特征。结果表明： （1）红砂岩、大理岩和花岗岩在饱和状态下的纵波波速比其在干燥状态下略高。（2）岩石纵波速度受到岩石的致密程度、孔隙度、密度及硬度的影响。（3）在同样的激发信号下,饱水的砂岩、大理岩、花岗岩岩样声波信号能量集中在低频部分较多,而干燥岩样声波信号能量集中在高频部分较多。（4）饱水的3种岩样声波信号能量衰减较快,尾波不发育;干燥的3种岩样声波信号能量衰减较慢,尾波较发育。（5）穿过岩石的声波信号的波速、波形的时域特征、频域特征及时-频域特征能在一定程度上反映出岩石内部的孔隙及微裂隙的发育情况和岩石含水情况等特征。     

声波测井岩石波速统计分析

通常不同岩性的声波速度不同,同一岩性因裂隙发育和风化程度不同,声波速度也不相同。声波测井技术就是依据岩层的这一特性,划分不同岩层及岩层的风化破碎程度。这里对某铁路线的勘测的声波测井结果进行统计分析,给出了测区钻孔揭露的主要岩石较完整状态的声波波速统计值和异常发育概率统计。     

岩石膨胀和压缩试验过程中的声波发射

在岩石膨胀试验前后及试验过程中，对西班牙北部的阿斯图里亚期的Ｃａｒｂｏｎｉｆｅｒｕｏｕ地区的膨胀性粘土状岩石进行岩石物理试验，同时分别用声波发射和超声波方法对微裂隙的发育和岩石破坏的诱因进行了研究，发现ＡＥ曲线和膨胀应变曲线有着相互对应的关系。     

测井方法在观测采空区上覆岩层导水裂隙带发育高度中的应用

新安矿区主采煤层上部至小浪底库区水体之间地层主要以砂岩、泥岩和砂质泥岩互层为主,厚度90~210m。为研究该矿开采状态下上覆岩层破坏程度和导水裂隙发育高度,在井下3个不同采厚的工作面上布置了7个地面钻孔,采用声波扫描成像测井及其它测井参数对采前、采后上覆岩层进行动态观测。以K3钻孔为例,介绍了超声波扫描成像测井的原理及辨别井孔中裂缝发育程度的方法。K3孔在第一次测量时,井深217～218m处明显存在裂隙,但在第二次测量后该裂隙呈现出闭合反应,证实煤层开采放顶后上部岩石下沉使得原有裂隙闭合;同时发现自194m以上因煤层采空放顶后发育有高度为69.10m的裂隙带。根据新安煤矿K2、K3、K5、K6、K7号孔超声波扫描成像及其它常规测井的地质解释成果可见,该矿导水裂隙带的发育高度随着推进距离和采厚增大而增大,但新安矿区软硬互层上覆岩层的地质构造可有效抑制导水裂隙带的发育程度。     

干燥及饱水状态下裂隙岩石冻融特征研究

岩体冻融风化作用主要受控于岩性、岩体结构、饱和状态及温变环境等因素。采取新疆寒区4种裂隙岩石进行温度变化下的冻融应变试验,得到了裂隙岩石在饱水及干燥冻融状态下的应变过程,即饱水状态下为8个阶段、干燥状态下为5个阶段;针对饱水裂隙岩石提出了冻融作用的胀缩率?,得到了不同岩性的?与冻融循环次数的拟合关系表达式,同时分析了在循环冻融过程中应变的变化规律,即裂隙岩石的冻胀阶段的微应变最大值都随循环次数的增加而增大。此外,通过在不同恒温下裂隙岩石冻融应变试验,分析了应变的变化规律,得到应变与不同恒温的拟合关系表达式;试验结果表明:裂隙岩石的?都随冻融次数的增加而增大,胀缩率的变化程度与不同岩样的孔隙率特征有关。饱水裂隙岩石在冻融过程中对温度具有较强的敏感性,损伤表现在温度损伤和冻胀损伤。     

基于微裂隙变形与扩展的岩石冻融损伤本构模型研究

在冻融条件下岩石微裂隙中的水发生相变,体积膨胀,对微裂隙产生很大的冻胀力,当冻胀力超过岩石的抗拉强度时,微裂隙扩展。温度升高时,水又进入新的微裂隙,如此反复循环造成了岩石的损伤。据此,将岩石中的微裂隙等效为扁平状椭圆裂隙,基于断裂力学建立了单条微裂隙下裂隙扩展长度与冻胀力的关系,考虑岩石中微裂隙的分布,将岩石冻融条件下的应变分解为初始损伤应变、附加损伤应变和塑性应变,建立了弹塑性冻融损伤本构模型。最后,通过岩石冻融试验对该模型的合理性进行了验证,结果表明,该模型能够较好地模拟岩石在不同冻融次数下的应力-应变关系曲线。     

高水压条件下大理岩破坏机理试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞中大理岩洞段处于高水压力和高应力环境中, 该段在施工过程中多次发生严重突水灾害。对该段大理岩的高水压条件岩石力学试验表明, 高水压条件下, 岩石应力-应变曲线在峰值应力附近出现明显平缓段, 应力降大, 岩石峰值强度及脆性破坏后破碎程度随水压力升高而升高, 岩石试件以压致拉裂破坏为主。基于高水压条件下裂纹周边应力解析分析, 认为裂隙中高水压力存在降低了裂隙尖端附近高应力集中效应, 与加载方向一定小夹角范围内的微裂隙尖端附近最大拉应力集中程度接近, 这使得岩石中应变能可进一步积累、压致拉裂型微裂隙数量进一步增加, 岩石呈脆性破坏, 并且破碎程度明显增加。研究工作对深埋隧洞突水灾害防治及强降雨诱发高速滑坡灾害预防具有重要的理论和现实意义。     

裂隙砂岩应变场演化与超声时移衰减特征研究

微裂纹萌生、扩展和聚结模式的识别是研究岩体灾害孕育演化过程的基础。为探究裂隙岩石微裂纹发育过程及机制,采用主动超声测量和数字图像相关（digital image correlation,简称DIC）技术同步监测单轴压缩下预制裂隙砂岩的损伤破裂过程,分析了表面应变场演化及超声衰减特征。结果表明：小倾角预制裂隙尖端的局部拉应力集中利于裂纹更早萌生;随裂隙倾角增加,预制裂隙试样由较为稳定的渐进性破裂转变为突发性破坏,其脆性特征也更明显,表面应变场可实时追踪裂纹的萌生和扩展。P波波速、振幅谱和超声振幅的衰减与微裂纹的发育和宏观裂纹的形成密切相关,可将超声波主频的明显衰减视为宏观裂纹形成的直接证据;不同射线路径P波速度及振幅衰减的差异,是轴向应力和预制裂隙诱导损伤累积各向异性的结果。此外,采用改进谱比法分析了超声衰减的时移特征,发现超声波衰减比P波波速对岩石介质中微裂纹的发育更敏感,进一步对比发现超声振幅、表面应变、P波波速对岩石损伤识别的敏感性依次降低。该研究结果表明,主动超声衰减和DIC表面应变同步监测是识别和量化岩石损伤和裂纹扩展先兆信息的有力工具。     

基于声学数据反演定量评价致密砂岩储层微裂隙应力敏感性新方法

设计试验方法流程对塔中地区深层致密砂岩储层岩样进行不同围压条件下声学测试,提出基于声学数据反演定量研究致密砂岩储层微裂隙应力敏感性的评价方法。通过Biot相洽理论和DEM理论组合模型分别对岩石裂隙密度?和孔隙纵横比?进行反演,探讨了不同围压条件下岩石?、?的变化规律,并对微裂隙应力敏感性进行评价。结果表明:?随围压的增加而降低,?随围压的增加而增加,这主要是由于微裂隙的闭合引起的;根据不同围压条件下?值降低幅度可以确定发生闭合的裂隙或依然保持张开的裂隙所占的百分比;在较高围压条件下依然具有较大?值的样品应力敏感性较弱,反之,应力敏感性较强;定义试验中岩石内部孔裂隙性质发生急剧变化的点为转折点,发现该点对应的?值相差不大,该值可视为该致密砂岩储层的裂隙共性特征,并可作为裂隙相对发育程度的对比指标;分别探讨了?值(围压65 MPa)及所定义转折压力与岩石孔隙度间的相关性,结果表明,两者正相关性均非常好,对于该地区深层低渗致密砂岩储层而言,存在低应力敏感性的有利类型裂隙受岩石物理性质影响程度最大。     

基于声学测试和摄像技术的单裂隙岩石裂纹扩展特征研究

为研究裂隙岩石破坏强度及裂纹扩展特征,采用MTS岩石力学试验机对单裂隙岩石进行单轴压缩试验,同步进行声发射、声波及摄像测试,研究裂隙岩石应力应变行为、声波及声发射特征与裂纹扩展、聚结的变化关系。结果表明,起裂应力、峰值强度及模量随裂隙倾角α变化一致,均先减小后增大,起裂应力和强度受α影响较大;裂纹间断性加速扩展引起的应力转移和释放(应力降),导致裂隙岩石应力-应变曲线呈阶梯状上升;应力降伴随着能量释放、刚度劣化和AE振铃计数的激增,随着α的增大,首次应力降和振铃计数陡增对应的应力逐渐增大,且振铃分布向峰值强度附近集中;裂纹起裂、扩展引起波幅和波速衰减,且波幅下降早于应力降的发生。α=0o岩样峰前波速降高达50%,随α的增大,波速下降点的应力逐渐增大,峰前波速降幅不断减小,α较小时峰前裂纹发育程度高,随着α的增大,峰前裂纹发育程度减弱,裂纹加速扩展、聚合向峰后转移;裂纹长度扩展到临界值时扩展速率会发生快速增大,随着α的增大,裂纹临界长度逐渐降低。     

不同损伤程度下岩石力学参数变化的声波测试

声波波速变化可有效表征岩体损伤程度。通过对岩样进行人工预损,利用声波检测标定岩样的不同损伤程度,然后通过三轴压缩试验来研究不同损伤程度下岩石的力学特性,建立了声波速度下降幅度与岩体力学参数变化幅度间的关系。研究表明,当岩样的声波速度下降5%～8%时,黏聚力c值降低15%～25%,内摩擦角? 值则升高14%～32%,因此,用声波速度的下降幅度来描述岩体参数的变化是可行的。根据现场实测的岩体损伤区内的声波速度的变化值,可以从一定程度上估计岩体参数的跌落情况,从而更进一步地说明损伤区内岩体的承载力。     

人工冻土声波参数试验研究

用ＳＹＣ－２型声波探测仪，对取自淮南矿区井下冻粘土，冻砂土进行了测定。其声波纵横波速振幅衰减系数及动弹模与冻土温度、含水量、容重的关系均用于幂指数形式较好地描述。其中容波速，动弹模及振衰减的影响最大；其次为温度、含水量；冻土振幅度衰减系数对其物理参数变化的敏感性大于波速。另外还研究了冻粘土与冻砂土怕波特性差异、截载大小及加载时间对冻土怕特性影响。     

洞室声波测试及数据处理技术

洞室声波测试是为获得准确、详细的岩体物理学参数,而在洞室内进行的一系列声波测试方法,通过计算和观察岩体声波速度的量值变化和分布规律,对岩体工程特性进行了评价,并了解洞壁岩体因施工开挖引起的松弛状况,还可以与岩体变形试验成果结合建立起动静态弹性模量之间的对比关系。     

某地下工程围岩的声波频谱特性

对某地下工程围岩进行声波测试,利用FFT方法进行信号的频谱分析,得到围岩声波的频谱特性。结果表明,声波传播过程中携带了反映岩体固有特性的信息,声波的频谱在一定程度上反映了岩体的结构、构造、完整性等特征;完整岩石的声波频谱以高频为主,裂隙岩体的声波频谱以低频为主;比较岩石与岩体声波测试的频谱差异,可对岩体质量的好坏进行判断。     

波速-旁压联合测试法在红层软岩中的应用研究

将波速测试及高压旁压试验运用于长沙地区的白垩纪红层软岩勘察中,获取了大量红层的声波测试结果及旁压试验特征参数,经过多参数的综合分析,为红层软岩的风化程度与岩体强度变化分析提供了有效参数。并在大量试验资料的基础上,建立了红层的动、静参数之间的相关方程。实践证明,波速-旁压联合测试方法是一种快速、经济、有效的工程勘察手段。     

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。     

围压条件下岩石声学特性的技术特征

声波传播速度能较好地反映岩石综合物理性质。在三轴向岩石声波速度测试的基础上,研究岩石地面声波传播速度与围压条件下（不同埋藏深度）声波传播速度之间的关系,依据试验数据和双参数回归分析处理结果可以看出：岩石声学特性随围压增加的变化遵从数学多项式;不同种类的岩石,其声学特性随围压变化的规律相差较大,因此,区分岩性剖面是研究和应用岩石声学特性的基础条件之一;同一岩石的声学特性随其埋藏深度的不同存在较大差别,因而在研究影响岩石声学特性变化的因素中,埋深不可忽视。     

致密岩石纵横波波速各向异性的比较研究

通过对板岩、千枚岩、糜棱岩和变质砂岩等4种岩石在平行和垂直层理、板理的3个正交方向上的纵、横波波速试验,提出了致密岩石纵波波速的各向异性与横波波速的各向异性普遍存在着一致性和差异性两种特征。一致性特征主要表现为致密岩石的横波各向异性随纵波各向异性的增强而增强;差异性特征主要表现为在平行和垂直层理、板理的两个方向上,纵波波速的各向异性指数大于横波,亦即纵波波速的各向异性比横波更为显著。从横观各向同性弹性介质的波速方程出发,通过具体的算例对这两种特征进行了较好的理论分析。     

遇水冷却的高温大理岩力学与波动特性分析

岩石经历高温作用冷却后工程特性的变化情况,直接影响着地下深部空间及资源的开发与利用、核废料的存储以及突发性高温灾害后地下工程的稳定性评价。以大理岩为研究对象,对遇水冷却和自然冷却后的高温岩样进行单轴压缩试验和声波测试,分析和比较岩样在不同状态下峰值强度、弹性模量、衰减系数、纵波波速和主频的变化情况。结果表明：随着温度的不断升高,遇水冷却高温大理岩的峰值强度、弹性模量和纵波波速总体上均呈现减小趋势;低于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数逐渐增大,主频逐渐减小;但高于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数和主频并未完全呈现单调递增或递减趋势,出现了高温拐点;在经历相同高温作用后,遇水冷却大理岩的峰值强度、弹性模量和主频均低于自然冷却,而纵波波速、衰减系数均高于自然冷却。研究结果可以为遇水冷却的高温岩石工程性状的检测和稳定性的评价提供参考,对经历高温作用的岩石冷却方式的选择具有指导意义。