[发明专利]节理岩体黏性系数的波动测试方法

摘要

本发明涉及节理岩体黏性系数原位测试技术，是一种基于不同频率的子波在节理岩体传播过程中的振幅衰减规律而提出的黏性系数的原位测试方法。本发明包括以下步骤：第1步：数据采集，第2步：将测点的振动波形分解为子波，第3步：计算测点间的能量损失，第4步：试算岩体的黏性系数，第5步：确定岩体的黏性系数。本发明将实测振动波形分解为一系列子波，通过子波的时域波形计算节理岩体黏性系数，计算结果相对频域计算更稳定。

主权项

1.一种节理岩体黏性系数的波动测试方法，其特征是，包括以下步骤：第1步：数据采集选择岩体露头表面平整的区域为测试区域，在测试区域内选择岩块，测试岩块的密度和弹性模量；在测试区域内布置1～2条测线，测线长度应大于1.5m，沿测线方向依次布置1个振源点和若干个测点，测点间距为20～40cm，测点个数大于4，对测点进行编号，编号要求是与振源距离增加测点编号数增大，第1个测点与振源点间的距离应大于50cm；在每个测点上用石膏粉粘结一个加速度传感器，在振源处施加冲击载荷，采用振动信号采集仪记录各传感器的振动波形；第2步：将测点的振动波形分解为子波按照频带宽度为100～300Hz对各测点的振动波形进行带通滤波，得到一系列的子波，峰值频率最小的子波为该测点的第1列子波，随子波峰值频率增加，子波的列数编号依次增加；考虑到应力波传播过程中的几何衰减，须对所有子波进行振幅补偿，即将各子波振幅乘以补偿系数ζj，补偿系数ζj的计算公式见式(1)，式(1)中，ζj为第j个测点的振幅补偿系数，下标j为测点编号，rj为第j个测点与振源点间的距离，r1为第1个测点与振源点间的距离；对各子波进行2次积分运算，得到相应的子波的位移波形；第3步：计算测点间的能量损失计算子波从第j个测点传播至第j+1个测点过程中的损耗能量ΔIj,j+1，计算公式见式(2)；ΔIj,j+1＝Ij‑Ij+1(j≥1)   (2)式(2)中，ΔIj,j+1为子波从第j个测点传播至第j+1个测点过程中的损耗能量，Ij和Ij+1分别为子波在第j个和第j+1个测点处的单位面积上传播的能量，其计算公式见式(3)；式(3)中，I为子波在测点处单位面积上沿传播方向传播的能量，ρ为岩块密度，v(ti)为ti时刻的测点振动速度，Δt为振动波形的采样时间间隔，T为子波波形持续时长，C为子波传播速度；子波波形持续时长的确定条件是：当时间t＞T，振动波形的振幅小于子波全波形的振幅的0.01倍；子波传播速度C的计算公式见式(4)；式(4)中，C为子波传播速度，ρ为岩块密度，f为子波的峰值频率，E为岩块弹性模量，η为岩体的黏性系数；第4步：试算岩体的黏性系数给定节理岩体黏性系数的初值η(0)，将黏性系数初值η(0)、岩块弹性模量、岩块密度和子波峰值频率代入式(4)计算节理岩体的子波传播速度C；根据节理岩体的子波传播速度C和测点的速度波形，由式(2)计算子波从第j个测点传播至第j+1个测点过程中的损耗能量ΔIj,j+1，将损耗能量ΔIj,j+1代入式(5)计算第j个和第j+1个测点之间的节理岩体的黏性系数ηj,j+1，式(5)中，ηj,j+1为第j个和第j+1个测点之间的岩体的黏性系数，ΔIj,j+1和Sj,j+1分别为子波从第j个测点传播至第j+1个测点过程中的损耗能量和损耗系数，损耗系数的计算公式见式(6)，式(6)中，Sj,j+1为子波从第j个测点传播至第j+1个测点过程中的损耗系数，u为测点的振动位移，u的下标表示测点编号，u的上标表示采样时刻，Δt为振动波形的采样时间间隔，lj,j+1为第j个和第j+1个测点的间距，T为计算时长；计算时长的确定条件是：当时间t＞T，振动波形的振幅小于子波全波形的振幅的0.01倍；第5步：确定岩体的黏性系数从第1列子波开始，第一次采用第4步计算得到节理岩体的黏性系数η(1)，将黏性系数η(1)、岩块弹性模量、岩块密度和子波峰值频率代入式(4)计算节理岩体的子波传播速度C；按照第4步再次计算，得到节理岩体的黏性系数η(2)，按照计算η(2)相同步骤，重复计算其它黏性系数；设定黏性系数迭代计算过程的相对误差的许可值[ξ]，当后一次计算得到的黏性系数η(m)与前一次计算得到的黏性系数η(m‑1)的相对误差ξ＝|η(m)‑η(m‑1)|/η(m‑1)＜[ξ]，结束迭代计算黏性系数，由此确定基于第1列子波计算得到的两测点间节理岩体黏性系数为η(m)；按照第1列子波计算节理岩体黏性系数相同步骤计算其余各列子波对应的黏性系数，拟合子波峰值频率与黏性系数的关系曲线，得到岩体黏性系数随频率变化的非定常函数关系。