巖體的彈性波頻散特性及等效介質(zhì)模型研究.ppt

巖體的彈性波頻散特性 及等效介質(zhì)模型研究,報(bào)告人：黃世強(qiáng) 2012年9月24日,中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)地質(zhì)及勘探專業(yè)委員會(huì) 中 國 水 利 電 力 物 探 科 技 信 息 網(wǎng) 2012年會(huì)交流論文,目錄,二、巖體頻散特性理論分析,三、現(xiàn)場測試與室內(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、 前 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,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)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：,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：波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所研究的宏觀體積單元。流體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%。,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，考慮具有較長波長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：,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。,熱馳豫機(jī)制模型可以在全頻率域表現(xiàn)出較明顯的頻散特性，最大增長幅度可達(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與模型尺度比值有較大的關(guān)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,三、現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)研究,現(xiàn)場測試與室內(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)行鉆孔聲波測試和地震波測試，鉆孔聲波測試使用主頻為25kHz的聲波換能器，分別進(jìn)行單孔聲波測試和對(duì)穿聲波測試，鉆孔深度一般為1.5m，孔間距為1m。洞壁地震波測試則以錘擊作震源，分別測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。 洞壁聲波測試鉆孔與地震波測線重合，檢波點(diǎn)位于鉆孔孔口。,1、現(xiàn)場巖體測試,平洞洞壁地震波與聲波測試,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)研究,平洞洞壁地震波與聲波對(duì)穿測試,現(xiàn)場測試與室內(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。,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)研究,平洞洞壁巖體(對(duì)穿)聲波與地震波縱波速度比值統(tǒng)計(jì)表,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)研究,平洞洞壁巖體(單孔)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值統(tǒng)計(jì)表,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)研究,由此可見，無論單孔聲波或?qū)Υ┞暡?，巖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、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)場測試結(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。,現(xiàn)場測試與室內(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。,2、巖塊室內(nèi)試驗(yàn),現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)研究,不同尺度下破裂面的微觀形貌,200m,20m,10m,現(xiàn)場測試與室內(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)場測試與室內(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)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)研究,玄武巖巖塊聲波頻率聲速關(guān)系圖,現(xiàn)場測試與室內(nèi)試驗(yàn)研究,目錄,四、等效介質(zhì)模型研究與分析,等效介質(zhì)模型研究與分析,無論現(xiàn)場巖體測試，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：,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2-1 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)測段進(jìn)行驗(yàn)證分析。測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)測繪資料，各測段的節(jié)理發(fā)育情況見下表。,等效介質(zhì)模型研究與分析,各測段洞壁地質(zhì)測繪成果表,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)算各測段的巖體聲波速度（25kHz）和地震波縱波速度（1000Hz），與現(xiàn)場實(shí)測值進(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)測波速比對(duì)分析表,等效介質(zhì)模型研究與分析,目錄,五、結(jié) 語,結(jié) 語,通過現(xiàn)場巖體測試和室內(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，提出以巖體密度、泊松比、節(jié)理發(fā)育密度、節(jié)理張開度等地質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)的單節(jié)理等效介質(zhì)模型，探討巖體頻散效應(yīng)對(duì)不同頻率彈性波傳播速度影響程