專利名稱：基于爆破地震波時空衰減規(guī)律的巖體力學(xué)參數(shù)測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖體力學(xué)參數(shù)測試技術(shù)，是一種基于爆破地震波時空衰減規(guī)律的巖體 力學(xué)參數(shù)測試方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前我國工程建設(shè)發(fā)展迅速，越來越多的交通工程、水利水電工程、能源工程、 礦產(chǎn)資源開采工程和國防工程等建造在不良地質(zhì)條件地區(qū)，如我國中長期發(fā)展規(guī)劃中， “十三五”之前將開工建設(shè)49座大型水電站，2020年全國鐵路運營里程將增至10萬公里， 2030年前將建設(shè)里程8. 5萬公里的高速公路網(wǎng)；在國家新增的4萬億經(jīng)濟(jì)刺激計劃投資 中，有38%投入到鐵路和公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這些即將開展的大規(guī)模工程建設(shè)將不同程 度地遇到復(fù)雜巖體，其工程設(shè)計、施工、穩(wěn)定性評價和地質(zhì)體加固等都依賴于準(zhǔn)確獲得巖體 的力學(xué)參數(shù)。在節(jié)理化巖體工程的穩(wěn)定性評價中巖體力學(xué)參數(shù)是難點但又是必須解決的關(guān)鍵 問題。目前獲取節(jié)理化巖體力學(xué)參數(shù)的途徑主要有經(jīng)驗公式、反演分析、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試 驗和數(shù)值分析等方法。經(jīng)驗公式法考慮影響巖體力學(xué)參數(shù)的諸多因素，得出比較確切的量化經(jīng)驗公式， 運用經(jīng)驗公式確定巖體的力學(xué)參數(shù)是一種有效的方法。由于影響工程巖體質(zhì)量的因素具有 多樣性和復(fù)雜性，現(xiàn)有的經(jīng)驗方法存在著較大的局限性，均存在有待完善之處，或者說有其 各自的適用范圍。其對復(fù)雜結(jié)構(gòu)巖體的參數(shù)估計往往過于保守，且缺乏數(shù)值平臺以建立適 合于特殊結(jié)構(gòu)巖體的本構(gòu)模型和參數(shù)，此外經(jīng)驗方法不能很好地反映巖體各向異性和賦存 應(yīng)力環(huán)境。針對巖體變形的高度非線性和測量數(shù)據(jù)有限等問題，提出了巖體力學(xué)參數(shù)的反 演分析法，該方法能夠有效解決測量數(shù)據(jù)受各種干擾引起的隨機不定性，但由于很難監(jiān)測 到施工引起的瞬間卸荷產(chǎn)生的較大變形及如何有效反分析出巖體的結(jié)構(gòu)信息等問題還未 得到很好解決，影響了反演分析法的應(yīng)用。室內(nèi)試驗法是指通過室內(nèi)試驗得到巖塊的力學(xué)參數(shù)，結(jié)合巖體的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行力 學(xué)參數(shù)折減，由于折減系數(shù)的選取帶有一定的主觀性，使巖體的力學(xué)參數(shù)與實際難免有一 定的出入，因此重大工程多采用現(xiàn)場試驗確定巖體的力學(xué)參數(shù)。采用現(xiàn)場試驗方法確定巖 體力學(xué)參數(shù)能較好地反映巖體的自然特性，無疑比實驗室?guī)r塊試驗合理得多，但原位試驗 通常受到各種條件如周期長、測試成本高等的限制，試驗結(jié)果有較大的離散性。據(jù)日本學(xué) 者OdoMA的研究，當(dāng)巖體試樣尺寸大于3倍典型節(jié)理跡長時，其試驗相對誤差才可以接受， 如果想要得到的力學(xué)參數(shù)能夠反映尺寸較大的結(jié)構(gòu)面，采用加載方式的現(xiàn)場試驗幾乎是不 可能得到的。如果采用數(shù)值計算的方式獲取巖體力學(xué)參數(shù)，存在一個重要的問題就是如何 準(zhǔn)確有效確定巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)，特別是巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的幾何和力學(xué)參數(shù)，目前該問題還未 得到很好的解決，影響了計算結(jié)果的可信度。MUller認(rèn)為完全不依靠現(xiàn)場試驗，就目前而 言，要描述巖體性質(zhì)是不可能的，只有通過現(xiàn)場試驗結(jié)果才可能正確判斷巖體強度和變形 性質(zhì)，但傳統(tǒng)的現(xiàn)場測試法很難進(jìn)行大體積的巖樣測試，而巖體的動態(tài)測試方法可以進(jìn)行大體積的測試，可以很好解決這一問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有巖體力學(xué)參數(shù)測試方法缺陷而提供一種基于爆破地震 波時空衰減規(guī)律的巖體力學(xué)參數(shù)測試方法。本發(fā)明技術(shù)方案一種基于爆破地震波時空衰減規(guī)律的巖體力學(xué)參數(shù)測試方法， 包括數(shù)據(jù)測試和測試數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)測試的步驟如下第一步測試試驗區(qū)域巖塊的力學(xué)參數(shù)及物理參數(shù)，需要測試的參數(shù)有彈性模量、 泊松比和密度，在試驗區(qū)域選擇有代表性的巖塊，加工成標(biāo)準(zhǔn)巖樣，用巖石試驗機測試巖石 的力學(xué)參數(shù)，采用常規(guī)方法測試巖塊的密度；第二步測試巖塊的粘性系數(shù)，在試驗區(qū)域選擇巖性有代表性和表面平整的區(qū)域， 在地表布置三分量加速度傳感器，用石膏粉將傳感器粘結(jié)在試驗區(qū)域的表面，在試驗區(qū)域 施加一個沖擊載荷，用采集儀記錄測點的振動波形；第三步測試試驗區(qū)域的巖體力學(xué)參數(shù)，在測試區(qū)域內(nèi)的中心位置打一鉆孔，孔徑 為40 80mm，孔深由試驗要求控制，一般為5 80m，地表布置傳感器，用采集儀記錄測點 振動波形；測試數(shù)據(jù)處理為地震波在巖體中傳播過程中，空間各點的峰值隨傳播距離增加而衰減，用底數(shù)為e 的負(fù)指數(shù)擬合地震波峰值與傳播距離的關(guān)系，得到地震波的衰減系數(shù)；空間每一點的振幅 隨時間增加而衰減，用底數(shù)為e的負(fù)指數(shù)擬合測點的振幅與振動時間的關(guān)系，得到地震波 的衰減速率，測試數(shù)據(jù)處理步驟如下第一步計算巖石的粘性系數(shù)，(1)采用快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，找出P波 的第1特征頻率；(2)根據(jù)第1特征頻率的有效帶寬進(jìn)行帶通濾波，得到第1特征頻率對應(yīng) 的特征波形；C3)用負(fù)指數(shù)擬合求出特征波形的衰減速率；(4)把巖石抽象為粘彈性體，運 用波動方程和復(fù)數(shù)理論建立地震波的衰減速率與粘性系數(shù)的關(guān)系式1，把測點的衰減速率、 第1特征頻率、巖塊的彈性模量和泊松比代入關(guān)系式1，計算得到巖塊的粘性系數(shù)，其中衰 減速率和第1特征頻率由測點波形直接求得，巖塊的彈性模量和泊松比由室內(nèi)實驗測試得 到，關(guān)系式權(quán)利要求
1. 一種基于爆破地震波時空衰減規(guī)律的巖體力學(xué)參數(shù)測試方法，包括數(shù)據(jù)測試和測試 數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)測試的步驟如下第一步測試試驗區(qū)域巖塊的力學(xué)參數(shù)及物理參數(shù)，需要測試的參數(shù)有彈性模量、泊松 比和密度，在試驗區(qū)域選擇有代表性的巖塊，加工成標(biāo)準(zhǔn)巖樣，用巖石試驗機測試巖石的力 學(xué)參數(shù)，采用常規(guī)方法測試巖塊的密度；第二步測試巖塊的粘性系數(shù)，在試驗區(qū)域選擇巖性有代表性和表面平整的區(qū)域，在地 表布置三分量加速度傳感器，用石膏粉將傳感器粘結(jié)在試驗區(qū)域的表面，在試驗區(qū)域施加 一個沖擊載荷，用采集儀記錄測點的振動波形；第三步測試試驗區(qū)域的巖體力學(xué)參數(shù)，在測試區(qū)域內(nèi)的中心位置打一鉆孔，孔徑為 40 80mm，孔深由試驗要求控制，一般為5 80m，地表布置傳感器，用采集儀記錄測點振動 波形；測試數(shù)據(jù)處理為地震波在巖體中傳播過程中，空間各點的峰值隨傳播距離增加而衰減，用底數(shù)為e的 負(fù)指數(shù)擬合地震波峰值與傳播距離的關(guān)系，得到地震波的衰減系數(shù)；空間每一點的振幅隨 時間增加而衰減，用底數(shù)為e的負(fù)指數(shù)擬合測點的振幅與振動時間的關(guān)系，得到地震波的 衰減速率，測試數(shù)據(jù)處理步驟如下第一步計算巖石的粘性系數(shù)，(1)采用快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，找出P波的第1 特征頻率；(2)根據(jù)第1特征頻率的有效帶寬進(jìn)行帶通濾波，得到第1特征頻率對應(yīng)的特征 波形；C3)用負(fù)指數(shù)擬合求出特征波形的衰減速率；(4)把巖石抽象為粘彈性體，運用波動 方程和復(fù)數(shù)理論建立地震波的衰減速率與粘性系數(shù)的關(guān)系式1，把測點的衰減速率、第1特 征頻率、巖塊的彈性模量和泊松比代入關(guān)系式1，計算得到巖塊的粘性系數(shù)，其中衰減速 率和第1特征頻率由測點波形直接求得，巖塊的彈性模量和泊松比由室內(nèi)實驗測試得到， 關(guān)系式全文摘要
本發(fā)明涉及巖體力學(xué)參數(shù)測試技術(shù)，是一種基于爆破地震波時空衰減規(guī)律的巖體力學(xué)參數(shù)測試方法。本發(fā)明包括數(shù)據(jù)測試和測試數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過相應(yīng)測試和計算就能夠得到巖體的幾何和力學(xué)參數(shù)，主要有巖塊的粘性系數(shù)、巖體的等效彈性模量、結(jié)構(gòu)面的方位角、結(jié)構(gòu)面剛度、結(jié)構(gòu)面厚度及其彈性模量，為邊坡穩(wěn)定性分析給出巖體相關(guān)參數(shù)。
文檔編號G01N29/11GK102141545SQ20101056487
公開日2011年8月3日 申請日期2010年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月27日
發(fā)明者王觀石, 胡世麗 申請人:江西理工大學(xué)