基于弹性波CT技术的岩体破裂探测方法

弹性波层析成像技术简称“弹性波CT扫描”,是在不损坏物体的前提下,利用弹性波射线穿透地层时,其走时及振幅与地层内部的某些物理参数存在线性积分关系的这一关键特征,反演地层内部三维速度结构或衰减特性的方法。本文基于弹性波CT技术,通过孔间岩体慢度反演,综合钻孔编录及工程现场情况,对承德市半壁山危岩体中破裂发育情况进行综合解译,测定岩体破裂发育的位置和规模。实践证明,采用弹性波CT方法探测得到的破裂位置与钻孔揭露的情况吻合,为危岩体的整治提供了依据。     

岩石蠕变破裂过程及其响应比变化的实验研究

对花岗岩样品进行逐次加载的蠕变实验,得到了加载过程中的蠕变曲线和蠕变破裂的全过程曲线.对加载过程中的杨氏模量、蠕变量、蠕变速率等参数用加卸载响应比方法进行了分析,认为有二种不同形态的响应曲线.在中低应力的弹性阶段其响应比都近似为1,而在高应力的膨胀阶段其响应比都随应力而增加.对应力不变时的蠕变破裂全过程曲线进行了分解,在蠕变破裂过程中,瞬态、稳态和加速3个阶段的持续时间分别为全部时间的18%,75%和7%;在加速蠕变阶段蠕变速率及其响应比明显增加.这一结果是预测蠕变破裂的明显指标.     

岩样中包体构造的CT实验探测

CT技术图象重建方法可分为变换法和代数法两大类。本文讨论了几种代数重建法的特点,开展了地球物理CT技术在岩石实验中应用的探讨性工作。研究表明,实验数据的测量误差直接影响着反演结果,当测量误差比较大时,即使数据量很大,也难以提高反演结果的分辨。岩样的吸收、换能器与样品的耦合、岩样均匀性等因素对实验数据的测量精度都有着重要的影响。文中还针对实验条件进行了数值模拟,以检验本方案的可行性,并对当前流行的BPT、ART和SIRT算法及其组合算法的成象能力结合本实验的条件进行了性能的比较。结果表明:BPT方法计算简单,但所给出的图象偏粗糙,特别是在井间观测时水平方向的分辨率较差;ART方法收敛速度快,图象的反差大,反演结果的高频成分比较丰富,但边界异常大;SIRT方法收敛速度慢,图象的低频比较好,结构平滑,边界异常小,反演受测量误差的影响比较小。综合了ART和SIRT两种反演方法特点的ART-SIRT联合反演方法比较理想,发挥出了各自的长处。     

岩样中包体构造的CT实验探测

CT技术图象重建方法可分为变换法和代数法两大类。本文讨论了几种代数重建法的特点,开展了地球物理CT技术在岩石实验中应用的探讨性工作。研究表明,实验数据的测量误差直接影响着反演结果,当测量误差比较大时,即使数据量很大,也难以提高反演结果的分辨。岩样的吸收、换能器与样品的耦合、岩样均匀性等因素对实验数据的测量精度都有着重要的影响。文中还针对实验条件进行了数值模拟,以检验本方案的可行性,并对当前流行的BPT、ART和SIRT算法及其组合算法的成象能力结合本实验的条件进行了性能的比较。结果表明:BPT方法计算简单,但所给出的图象偏粗糙,特别是在井间观测时水平方向的分辨率较差;ART方法收敛速度快,图象的反差大,反演结果的高频成分比较丰富,但边界异常大;SIRT方法收敛速度慢,图象的低频比较好,结构平滑,边界异常小,反演受测量误差的影响比较小。综合了ART和SIRT两种反演方法特点的ART-SIRT联合反演方法比较理想,发挥出了各自的长处。     

组合岩样破裂孕育过程中应变场的动态变化特征

利用花岗岩和砂岩拼合样品,进行双轴加压单面直剪试验,结果表明,对于力学性质差异很大的两种岩石的拼合岩样,破裂孕育过程中岩样上的应变是不均匀的,有的地方很高,有的地方很低。在大破裂发生前,应变在一些点沿原趋势加速上升或下降,在一些点则与原趋势相反,转而下降或上升,还有的点则基本平稳不变。应变场变化的共同特征是：①先出现高应变巾心,接着这个中心沿未来剪切缝从砂岩边缘向拼合岩样中部转移,而原先的高应变中心却逐步变成低应变区——应变空区。②主破裂不是发生在高应变中心,而是在应变空区或高应变中心转变而成的低应变中心处,直至主破裂发生。③微破裂和宏观破裂都由砂岩向花岗岩方向发展。     

岩石受压破裂的ULF和LF电磁前兆信号

实验观测到了4类岩性、18块样品在单轴压力下直至破裂发生全过程中的ULF和LF电磁前兆信号。这些不同频率的信号是零散出现的，其形态为一组组脉冲，宽度为4ms～16ms，幅度为0．1mV～1．4mV。实验发现具同一谐振频率的天线收到的信号频次与其相对于裂缝的位置和方位有关。结果还表明，电磁前兆信号的频度与岩样强度有关，抗压强度高的岩样电磁前兆信号多。微破裂可能产生了偶电层，在破裂过程中向外辐射，产生了LF频段的磁信号，ULF磁信号则主要由压磁效应产生。     

真三轴压缩时几种岩样微破裂定位的初步结果

实验用盈江花岗岩、蝴蝶泉斜花岗岩及龙陵花岗岩在真三轴压机上压缩(1>2>3)直至岩样破裂.采用8通道高速微破裂数据采集分析系统对岩石破裂孕育过程中的微破裂时空分布做了初步分析.结果表明:在声发射变化的第Ⅰ阶段,微破裂较多;第Ⅱ阶段微破裂较少.但都分布紊乱且遍布整个岩样.当应力继续上升达声发射变化的第Ⅲ阶段,微破裂再次增多并逐步形成空区,只在主破裂前很短时间才形成条带分布.      

岩石破裂电磁辐射的频率特性

本文提出岩石破裂时产生的低频电磁辐射起源于微破裂引起的电子发射,并用电四极子模型计算了近区电磁场的频率特性．结果表明,近区电磁场的频率与样品尺寸和初始裂纹长度有关,利用典型实验样品尺寸和花岗岩初始裂纹数据计算出近区电磁场的频率为５０ｋＨＺ－１ＭＨｚ量级．它与已有实验测量结果相符．     

弹性波CT技术在大足石刻岩体破碎带探测中的应用

大足石刻是中国现存的重要石质文物之一,具有重要的历史和文化价值,其中有的石刻造像曾被列为国家石质文物保护“一号工程”;最近,文物保护部门又启动了对危岩体的加固和防渗工程。为确定大足石刻宝顶山大佛湾岩体中破碎带发育情况,应用跨孔弹性波CT技术对指定位置的工程岩体进行了探测。CT探测得到的岩体弹性波速成像清楚地揭示了两个钻孔之间岩体中破碎带的规模和产状,与岩体所在的区域地质构造应力场作用协调一致,证明了探测成像结果的可靠性,为大佛湾岩体的渗流和稳定性评估提供了依据。     

开挖岩体边坡卸荷带宽度的计算方法

卸荷带的判别与计算,直接关系到岩体边坡的长期稳定性及致灾安全性。针对均质岩体边坡,采用弹性理论楔形体力学模型,提出了开挖岩体边坡力学模型,建立了开挖岩体边坡应力的计算方法;从开挖高度、开挖坡度、台阶宽度、岩体粘聚力、内摩擦角及岩体容重等方面,通过敏感性分析,探讨了开挖岩体边坡卸荷带宽度的变化规律,据此采用量纲分析法,建立了开挖岩体边坡卸荷带宽度的计算公式。     

云南丽江地区断裂构造岩岩组动力学研究

丽江地区构造岩岩组动力学研究表明，研究区内中更新世末构造主压应力保持在北西至北西西方向变化；晚更新世中期之后构造主压应力方向则以北北东至北东方向为主变化，并有逐渐向近南北向转化的特点。因此玉龙雪山东麓断裂在中更新世末曾有过左旋压扭活动为主的历史，兼有左旋、右旋的活动过程，1996年2月3日丽江M7．0地震的破裂过程继承了晚更新世后期断裂的活动特点。     

岩石变形破裂过程中电荷感应信号的检测

设计了采用非接触方式、高放大倍数、高效率的电荷传感器,并给出了电荷传感器的设计原理和技术指标。利用研制的电荷传感器对岩石变形破裂过程中产生的电荷感应信号进行了检测试验。结果表明,岩石在变形破裂过程中会产生电荷感应信号,并能够被研制的电荷传感器检测到;电荷感应信号是瞬时脉冲的;随着加载应力水平的增加,电荷感应信号强度增强,在峰值应力前,电荷感应信号强度达到最大值;在破裂面接收到的电荷感应信号较强,主破裂面接收到的信号最强,因而电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。作为正在探索的检测岩石破坏过程的手段之一,电荷感应方法应是一种很具潜力的方法,值得深入研究。     

SH波水平入射穿越垂直断层隧道动力响应分析

结合黏弹性人工边界的时域波动输入方法和显式有限元法,设计了含垂直断层三维场地的SH波输入方法。基于建立的输入方法,研究了垂直断层对隧道地震响应的影响,并通过自由场算例验证了该方法具有较好精度。数值模拟结果表明:对于断层迎波侧的隧道结构,断层会对其地震动响应产生显著的放大作用,对于断层逆波侧的隧道结构,断层会对其产生隔离地震动的作用;相对周围围岩,断层介质的剪切波速越小,其产生的放大效应和隔震效果也会越显著;断层宽度越小,其对隧道地震动响应的影响范围也就越小,但是断层宽度的变化对于断层两侧隧道的地震动响应的影响并不明显。     

A Method for Testing Dynamic Tensile Strength and Elastic Modulus of Rock Materials Using SHPB

An experimental procedure for testing dynamic tensile strength and elastic modulus of rock materials at high strain rate loading is presented in this paper. In our test the split Hopkinson pressure bar (SHPB) was used to diametrally impact the Brazilian disc (BD) and flattened Brazilian disc (FBD) specimens of marble. A tensile strain rate of about 45 1/s was achieved at the center of the specimen. In order to improve the accuracy of the analysis, the initiation time difference between the strain waves acting on the two flat ends of the FBD specimen was treated properly. Typical failure modes corresponding to different loading conditions were observed. It was verified with a finite-element simulation that the equilibrium condition was established in the specimen before its failure. This numerical simulation validates the experimental procedure and also proves the suitability of formulation for the basic equations.     

具有多种断层结构岩样的形变和破裂特征的试验研究

在岩石板上切割出多条切缝并以石膏填充,将其分为3个构造特征区:A区(断层交汇区)、B区(左行左列岩桥区)、C区(右行左列岩桥区)。采用双轴加压、定点应变、声发射信息系统和实时全息干涉计量方法(激光)进行观测研究。结果表明:在岩样破坏孕育过程中,各个特征区都出现了特大破裂。每个特大破裂发生前定点应变、激光干涉条纹图(应变场)和声发射信息都出现了特征变化。特大破裂的发生有先后,其前兆特征的出现也有先后,并且各区有各自的特点,某些前兆还可能在各区之间交替出现。研究认为,三个区的断层结构性质不同,这就导致了不同的破裂顺序,甚至产生不同的前兆现象。     

一种基于二元回归的时深转换新方法

南堡凹陷C油田沙河街组发育一套披覆在潜山之上的生屑云岩储层,为该油田的主力含油层系,生屑云岩分布不稳定,横向变化较大,先期钻探的5口探井有2口落空。基于周边油田分析,古地貌是生屑云岩储层分布的主要因素。受上覆火成岩的影响,该油藏速度横向变化剧烈,古地貌恢复困难,使预测储层分布范围困难较大。考虑到速度横向变化的影响,利用传统的时深转换方法难以准确地计算构造深度进而恢复古地貌。本文从多口已钻井的时深关系精细对比分析出发,明确了该区的速度影响因素主要有压实效应和火成岩厚度,同时基于对传统时深转换方法的适用性分析,提出了一种基于二元回归的时深转换新方法。实际资料应用表明,利用该方法计算的构造深度与实钻结果吻合较好,能够有效恢复古地貌和预测生屑云岩的分布,该时深转换方法对于速度横向变化剧烈的地区有较好的推广应用价值。     

一种工业CT图像的分割算法

由于工业CT图像结构复杂,存在各种伪影,并且灰度分布呈现区域性质等特点,难以准确找出分割阈值,为此提出了一种适用于工业CT图像的分割算法。首先利用最大类间方差法和图像处理方法处理了外层伪影,然后利用聚类迭代的方法处理中心空气,得到感兴趣的区域。实验结果表明,此算法能够对具有先验知识的工业断层图像准确地提取感兴趣的区域。