岩体中弹性波传播尺度效应的初步分析
岩石物理学-03岩石中波的传播与衰减
D en s ity o f co n stitu en t c ry s t a l (g / c m 3) 2 . 6 5 qu a rt z 2 . 6 5 qu a rt z 2 . 6 5 qu a rt z 2 .7 1 calcite 2 .7 1 calcite 2 .1 h alite (C a, M g ) C O 32 . 8 -2 . 9 -
D en s ity (g / c m 3)
S c ree , v e g e t a l s o i l D ry s a n ds W e t s a n ds S a t u rat ed s h a l e s a n d c l a y s M a rl s S a t u rat ed s h a l e an d s a n d s ec t i o n s P o ro u s a n d s a t u ra t e d s a n ds t o n e s L im es to n es C h alk S alt A n h y dri t e D o lo m ite G ran i t e B asalt G n eis s C o al W ater Ice O il
(1)波速和密度的关系 (1)波速和密度的关系 用途: 用途:为合成地震记录提供缺失的声波或密度 曲线; 曲线;定量分析孔隙度变化引起的地震振幅变 AVO分析估算横波速度 分析估算横波速度; 化;为AVO分析估算横波速度;提供远景区的异 常岩性信息。 常岩性信息。 a.Gardner公式（1974），主要适用于沉积岩 a.Gardner公式（1974），主要适用于沉积岩 公式 ）， 中的碎屑岩。 中的碎屑岩。
成都理工大学岩石物性测试系统MTS（ System） 成都理工大学岩石物性测试系统MTS（Mechanic Test System）的岩石波 MTS 速测量方法
纵_横波在岩石中的传播速度比及弹性模量与岩石所含流体的关系
根据石西地区 50 块岩样在不同温压下取平均 值按孔隙度小于 10%及孔隙度大于 10%分别所作 直方图(图 3)。从图中可以看出 , 孔隙度增加 , 模量 常数降低 (泊松比例外), 虽然饱和水样与饱和油样 模量有重叠部分 , 但二者仍可明显区分 。尤以体积 模量 、杨氏模量 、拉梅系数区别最明显 。玛北地区 60 块样品所做的相应关系图 , 也得出了同样的结论 。
different fluid saturation in Shixi area (据 50 块样品 , 实验温度为 90℃, 压力为 90 MPa)
图 4 是岩石在不同油饱和度时 , 弹性模量随压 力的变化曲线 。可以看出 , 体积模量 、杨氏模量 、剪 切模量随油饱和度的增高而增大 , 尤其体积模量表
摘 要 据对准噶尔盆地西部井下岩心进行的实验室模拟测试 , 饱和水的岩心样品 , 其纵横波速度比(vp/vs)、 泊松比(σ)、杨氏模量(E)、和拉梅常数(λ), 均大于饱和油的岩样 , 而其体积模量(K)和剪切模量(μ),则小于饱和油 的岩样 。岩石的弹性模量还与孔隙度有关 , 孔隙度增大则模量降低 ,孔隙度减小则模量提高 。当实验压力提高时 ,则 弹性模量增大 , 实验压力降低时 , 弹性模量减小 。岩石的上述特性是有规律的 , 这为利用地球物理勘探资料检测油 、 气 、水在岩石中的分布 ,提供了依据和可能 。
O c t .1998
1.3 1.2 1.1
量
模 切
弹性波检测法在岩土测试中的应用
弹性波检测法在岩土测试中的应用随着我国经济水平的不断提高，岩土工程领域也得到一定的发展，随之日益增多的岩土测试方法也得到广泛的应用，弹性波检测法是其中一个检测技术。
本文主要研究分析弹性波检测法在岩土测试中的应用，从而介绍该方法的优越性。
标签：弹性波检测法;岩土测试;应用分析一、前言近些年来，岩土工程测试技术取得卓越的发展，弹性波理论广泛应用于地震、地质勘探、采矿、材料的无损探伤、工程结构的抗震抗爆、岩土动力学等方面，弹性波技术作为一种物探技术，在岩土测试中应用广泛，是一种高效的探测技术。
下面将进一步介绍弹性波检测法的方法以及在岩土测试中的发展和应用。
二、弹性波技术在岩土领域的发展弹性波不仅对各类岩石都有一定的穿透力和分辨力而且它在介质中传播时与介质相互作用使接收波中携带了与岩石物理力学性质相关的各种信息，所以作为一种信息载体，弹性波是最理想的。
20世纪50年代初期，日本在对岩体的调查、评价和分类中，引入了弹性波检测技术。
约在同一时期，原苏联把岩石纵波速度与岩石密度的乘积，称之为波阻抗，作为岩石爆破性的分级指标。
到7O年代，又把波阻抗和岩石的裂隙性相结合补充了岩石爆破性分级表1959年。
西方学者Maurer曾建议把波阻抗作为岩石可钻性指标。
在日本的隧道开拓工程中.广泛使用一种所谓抗爆强度为准则的岩石分级，抗爆强度就是岩石抗剪强度和岩石纵波速度的特定函数值。
7O年代以来，我国和国外水电、铁道和工程地质界相关人员，选用纵波速度进行岩体分类比较普遍。
1997年，王让甲对运用弹性波技术进行岩石可钻性分级进行了较为系统、全面的阐述和研究。
论述了运用弹性波技术进行岩石可钻性分级的可行性，对以纵波速度划分岩石可钻性分级标准的制订进行了研究，得出可喜的成果。
并主张采用动弹性力学参数综合评定岩石可钻性，其中引入了横渡的应用。
指出纵波速度和横波速度之比是一种非常实用的物理概念，也是一个评价岩石质量的有效指标，每一种岩石具有其相应的波速比值，比值的增大或减少均说明岩性的变化。
岩石中裂纹对弹性波速度的影响
岩石中裂纹对弹性波速度的影响
方华;伍向阳;杨伟
【期刊名称】《地球物理学进展》
【年(卷),期】1998(13)4
【摘要】本文在常温常压下，对岩石中的层理、裂纹或裂缝引起的弹性波速度变化特征进行了实验研究，并通过简化的人工裂缝模型，研究了裂缝密度和相对位置的变化对波速的影响，取得了一些有意义的结果．
【总页数】3页(P79-81)
【关键词】岩石;裂纹;弹性波速度;地震勘探;油气勘探
【作者】方华;伍向阳;杨伟
【作者单位】中国科学院地球物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】P584;P618.130.8
【相关文献】
1.岩石受力状态对弹性波传播速度的影响初探 [J], 刘盛东;杨玉岷;胡绍龙
2.岩石裂隙对岩石的弹性性质及速度-孔隙率关系的影响 [J], 周巍;杨红霞
3.弹性各向异性介质岩石体波相速度计算 [J], 蔡晓刚
4.不同温压条件下弹性波在岩石中传播速度的实验研究 [J], 马瑞;卢民杰
5.岩石受力状态对弹性波传播速度影响的初步研究 [J], 刘盛东;杨玉岷
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结构面刚度对岩体弹性纵波传播特性影响的数值模拟
结构面刚度对岩体弹性纵波传播特性影响的数值模拟黄真萍;曾焕接;曹洋兵;陈俊熙【摘要】针对结构面刚度对岩体弹性纵波传播特性的影响规律及机理不明的问题,基于3DEC软件及自编程序,以含单个水平、光滑结构面的岩体为研究对象,分析结构面法向刚度、切向刚度对岩体弹性纵波传播特性的影响.结果表明,初至纵波振幅和纵波波速仅与结构面法向刚度kn有关,而与切向刚度ks无关;初至纵波振幅和纵波波速皆随法向刚度kn的增加而增加,增长速率逐渐减小.考虑结构面间距S和岩块杨氏模量E的影响,引入E/(S?kn)作为综合影响参量,固定kn/ks为2.5时,初至纵波振幅和纵波波速都随着(S?kn)的增加而减小,以E/(S?kn)=0.1、1、10为界,衰减速率经历极慢-变快-变慢-极慢四个阶段.【期刊名称】《福州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(047)001【总页数】6页(P107-112)【关键词】弹性波传播;岩体结构面;法向刚度;切向刚度;离散元模拟【作者】黄真萍;曾焕接;曹洋兵;陈俊熙【作者单位】福州大学环境与资源学院;地质工程福建省高校工程研究中心,福建福州 350108;福州大学环境与资源学院;福州大学环境与资源学院;地质工程福建省高校工程研究中心,福建福州 350108;福州大学环境与资源学院【正文语种】中文【中图分类】TU459+.30 引言岩体中存在大量性质不同、规模各异的结构面，弹性波传到这些结构面时，将发生反射、透射现象，并由此导致能量、振幅、波速等发生变化.鉴于弹性波在岩体中的传播特性问题涉及岩体工程爆破、声波检测及微震监测等领域，众多研究人员对此开展大量卓有成效的研究，取得重要进展.起初，研究人员将岩体看作连续、均匀、各向同性的介质，采用等效连续介质力学方法研究弹性波传播问题.考虑到这种模型过于简化，与实际情况差距甚大，因此位移不连续模型[1-4]被提出，此模型认为弹性应力波穿过节理面时，应力场是连续的，而位移是不连续的，从而较好地模拟应力波在节理岩体中的传播特性及过程.除此之外，结构面对于岩体弹性波传播的振幅衰减、高频滤波及信号延迟等效应[4-8]也被实验揭示，研究人员基于试验结果开展相关的理论建模及力学描述研究. 由于室内试验及解析计算等研究手段的局限性，研究人员尝试利用离散元程序进行结构面对岩体弹性波传播特性影响的研究[9-15]，离散元模拟方法逐渐成为一种重要的研究方法.茹忠亮等[9]得出节理面越粗糙，法向刚度越小，弹性波衰减程度越大，弹性波的波速降低越快.卢文波[10]指出节理刚度越大，其透射系数也越大；石崇等[11]认为节理面法向(或切向)刚度越大，各点透射率越高； Myer等[1]发现节理刚度越大，透射波形越接近于入射波，刚度越小，透射波波幅减小、高频滤波.王卫华等[12-13]发现节理面粗糙度相同时，透射系数随法向刚度的增大而增大.陈勇等[14]认为一维应力波垂直节理传播时，随着节理法向刚度的增大，反射波波幅减小、频率降低，透射波的波幅增大、频率降低.综上可知，目前的研究集中在岩体结构面对应力波的透射系数、反射系数的影响及波的振幅衰减、高频滤波、信号延迟等方面，而关于岩体结构面法向刚度、切向刚度如何定量影响岩体弹性纵波波速及初至纵波振幅等问题则鲜有研究报道.本文基于3DEC离散元分析平台，通过连续介质模型检验软件及自编程序的准确性，基于单裂隙岩体模型，定量研究结构面法向刚度、切向刚度对岩体弹性纵波传播特性的影响规律，从而为相关岩体工程动力响应、安全性评价及数值模拟参数设置等提供理论支撑.1 3DEC软件及自编程序的可靠性基于3DEC软件和FISH语言，自编可精确监测模型边界动力响应的离散元计算程序，研究裂隙岩体弹性纵波传播特性.以等效连续介质模型的解析解作为标准参考值，检验3DEC软件的适用性及自编程序的准确性.图1 岩块数值模型Fig.1 Numerical model of rock block对于连续、均匀、各向同性的弹性材料，其弹性纵波传播速度Cp的理论解如下：(1)式中：ρ为材料的密度； E为材料的杨氏模量；μ为材料的泊松比.1.1 数值模拟概况构建1 m×1 m×10 m的长方体模型如图1所示，将模型的顶面及四个立面设为自由边界条件(由于底面施加纵波，侧面的自由边界条件不会有反射和折射，能达到粘性边界条件的目的)，在模型底面施加速度型正弦纵波如下式 .vz=A sin(ωt)(2)式中： vz为底面z方向的速度(m·s-1)； A为振幅，本次取0.1 m·s-1；ω为角频率，本次取200 π，即频率f为100 Hz.表1 岩块物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock block材料E / GPaμρ/ kg·m-3岩块300.252700根据岩体动力响应特征，选择瑞利阻尼模型，设置最小临界阻尼比为0.05、最小临界中心频率为100 Hz，设置的岩块物理力学参数如表1所示.在模拟弹性波传播时，网格单元的尺寸对计算结果的准确性有很大影响，网格尺寸过大容易导致波形失真及波峰、波谷的位置偏离真实值，进而导致波速计算值误差过大.钱七虎院士[15]建议，网格尺寸与波长之比不应大于1/10～1/8.根据以上设置及式(1)，该岩块的纵波速度理论解为3 651 m·s-1，故输入波的波长为36.51 m，由此设置网格尺寸为0.5 m，可以较精确地模拟波在模型中的传播.1.2 可靠性论证经计算发现，同样的程序每次计算的结果都有轻微差别，这可能是数值截断误差等导致的离散性.经过大量的计算尝试，发现取6次数值计算值的平均值作为最终计算结果是稳定、可靠的.因此，本文中所有列出的数值模拟结果数据都是取6次数值计算结果的平均值.图2 纵波波速理论值与模拟值随杨氏模量E的变化 Fig.2 Theoretic calculations and numerical simulation results of P-wave velocity as a functionof the Young's modulus E按照表1的参数设置，保持泊松比μ、密度ρ不变，依次改变杨氏模量E，得出的数值计算结果与理论解对比情况见图2.由图可知，数值模拟值与理论值相当接近，两者随杨氏模量E变化的曲线也相当吻合.同样地，分别改变泊松比μ和密度ρ进行数值模拟，结果也显示弹性纵波波速理论值与模拟值较为接近，两者的相对误差皆小于2%.从而证实了程序的可行性和可靠性，并间接证明了上述数值模型尺寸、网格尺寸等程序设置的合理性，可应用于后续结构面岩体研究.2 结构面刚度影响的数值模拟基于上述被论证为合理、可靠的3DEC数值模型及自编程序，为研究结构面刚度对岩体弹性纵波传播特性的影响，在连续介质模型中部施加一条水平光滑的结构面(为接触面单元)，如图3所示.岩块的物理力学参数、边界条件、阻尼模型及参数、网格尺寸等设置情况与上节相同.图3 单结构面岩体数值模型 Fig.3 Numerical model of rock mass2.1 研究方案结构面刚度是反映结构面几何构成的函数，与结构面的风化蚀变特征、张开度、粗糙度及其吻合情况等有关.因此，平直结构面和结构面刚度可等效模拟复杂天然结构面.为研究岩体结构面法向刚度、切向刚度对弹性波传播特性的影响，需要首先确定法向刚度、切向刚度的合理取值范围.需要说明的是，3DEC软件中结构面刚度的基本单位为Pa·m-1，并非N·m-1.由结构面的泊松效应可知，结构面法向刚度与切向刚度的比值应为[1，10].一般来说，对于离散元计算，法向刚度和切向刚度应小于与该节理邻接块体的等效刚度的10倍，公式如下：(3)式中： K为块体的体积模量； G为块体的剪切模量；Δzmin为与该节理邻接块体的最小棱边长度.此要求一般仅为提高数值计算效率，对本文的简单模型而言，结构面刚度超出此范围不会显著增加计算复杂度，反而能核实相关规定的正确性. 根据数值模拟基本情况，确定出的结构面法向刚度总体取值范围为7.5～7.5×106 MPa·m-1，切向刚度总体取值范围为3.0～3.0×106 MPa·m-1，并通过以下基本思路研究结构面刚度对岩体弹性纵波传播特性的影响：1) 保持结构面切向刚度ks不变，将kn/ks由1逐渐增加至10.2) 保持结构面法向刚度kn不变，将kn/ks由1逐渐增加至10.3) 保持结构面法向刚度与切向刚度之比为2.5不变，同时改变法向刚度与切向刚度的大小.2.2 数值模拟结果分析2.2.1 结构面法向刚度的影响分析固定结构面切向刚度为最低级(3 GPa·m-1)，将kn/ks由1逐渐增加至10，即逐渐增大结构面法向刚度的大小；再将结构面切向刚度调至下一级，逐渐增加法向刚度；最终将结构面切向刚度调至最高级(30 GPa·m-1)，并同样地逐渐增加法向刚度.从而在大跨度的切向刚度ks、法向刚度kn与切向刚度ks之比kn/ks范围内，研究法向刚度对弹性纵波传播特性的影响.不同级的切向刚度、不同kn/ks比值条件下，初至纵波振幅随法向刚度kn的变化如图4(a)所示，纵波波速随法向刚度kn的变化如图4(b)所示.给定激发纵波的振幅为100 mm·s-1，若无此结构面，岩块的弹性纵波波速理论值为3 651 m·s-1.图4 不同切向刚度下初至纵波振幅和纵波波速随kn/ks的变化Fig.4 Amplitudeof first break and P-wave velocity as a function of kn/ks at variousdiscontinuity tangential stiffness由图4(a)可知，当切向刚度不变时，初至纵波振幅随kn/ks比值的增加而增大，即初至纵波振幅随法向刚度的增加而增大，但增长速率逐渐减小，最终初至纵波振幅趋近于激发纵波振幅；当切向刚度固定为3～12 GPa·m-1时，初至纵波振幅在kn/ks比值为1～3.5之间为陡增段，且切向刚度越小，增长速率越大，在kn/ks比值大于3.5后为缓增段，增长速率逐渐减小；当切向刚度固定为12～30 GPa·m-1时，初至纵波振幅在kn/ks比值为1～10之间皆为缓增段，增长速率逐渐减小.由图4(b)可知，当切向刚度不变时，弹性纵波波速随kn/ks比值的增加而增大，即弹性纵波波速随结构面法向刚度的增加而增大，但增长速率逐渐减小，最后趋于稳定，最终稳定值介于3 566～3 670 m·s-1之间，与连续介质弹性纵波波速理论值基本相当.2.2.2 结构面切向刚度的影响分析由上节可知，初至纵波振幅和纵波波速与结构面法向刚度密切相关，但无法判定其与结构面切向刚度有关.为此，在本节中，固定结构面法向刚度为最低级(1.5 GPa·m-1)，将kn/ks比值由1逐渐增加至10，即逐渐减小结构面切向刚度的大小；再将结构面法向刚度调至下一级，逐渐减小切向刚度；最终将结构面法向刚度调至最高级(30 GPa·m-1)，并同样地逐渐减小切向刚度.从而在大跨度的法向刚度kn、法向刚度kn与切向刚度ks之比kn/ks范围内，研究切向刚度对岩体弹性纵波传播特性的影响.不同级的法向刚度条件下，初至纵波振幅随kn/ks比值的变化如图5(a)所示，纵波波速随kn/ks比值的变化如图5(b)所示.由图5可知，当法向刚度不变时，初至纵波振幅和纵波波速随kn/ks的增加都几乎不变(曲线上局部微小的波动是由于数值误差引起).由此表明，结构面切向刚度对岩体初至纵波振幅和纵波波速几乎没有影响.图5 不同法向刚度下初至纵波振幅和纵波波速随kn/ks的变化Fig.5 Amplitudeof first break and P-wave velocity as a function of kn/ks at variousdiscontinuity normal stiffness2.2.3 考虑结构面间距和岩块杨氏模量的结构面刚度的影响分析由上两节可知，结构面法向刚度对岩体纵波传播特性有重要作用，而切向刚度对纵波传播几乎没有影响.但是，上述研究以岩块纵波波速为基准值，仅孤立地研究法向刚度绝对值的影响规律，忽视了结构面法向刚度与岩块杨氏模量之间的紧密关联，因而难以将岩体弹性纵波传播特性进行整体考量.并且，岩体中的结构面数量庞大，仅一条结构面无法反映工程岩体实际情况.为此，引入比值E/(S·kn)，用以衡量岩块杨氏模量E(本文设置为30 GPa)、结构面间距S(对于本文的单结构面岩体模型，S为岩体模型高度，即10 m)和结构面法向刚度kn的组合关系对岩体弹性纵波传播特性的综合影响，从而使得研究结论具有更好的普适性.结构面法向刚度kn与切向刚度ks之比为2.5时，是硬岩工程的常见工况，故本次保持kn/ks比值为2.5不变，同时改变结构面法向刚度kn与切向刚度ks的大小，研究E/(S·kn)对岩体弹性纵波传播特性的影响.初至纵波振幅Ap/激发纵波振幅A0随E/(S·kn)的变化如图6(a)所示，纵波波速vp/连续介质纵波波速理论值Cp随E/(S·kn)的变化如图6(b)所示.图6 Ap/A0和vp/Cp随E/(S·kn)的变化Fig.6 Ap/A0 and vp/Cp as a functionof E/(S·kn)1) 由图6(a)可知，初至纵波振幅Ap/激发纵波振幅A0随E/(S·kn)的增大而减小，具体的减小规律为：① 当E/(S·kn)≤0.1时，初至纵波振幅衰减速率极小，衰减幅度不超过2%，Ap/A0接近于1；② 当0.1<E/(S·kn)≤1时，初至纵波振幅衰减速率迅速增大，有陡降现象，Ap/A0介于0.69～0.98；③ 当1<E/(S·kn)≤10时，初至纵波振幅衰减速率由大变小，Ap/A0介于0.12～0.69；④ 当E/(S·kn)>10时，初至纵波振幅衰减速率越来越小，但总体衰减量越来越大，最终Ap/A0减小至0.01.用三阶多项式对图6(a)的曲线进行拟合，获得以下拟合公式：y1=-0.000 011 2x3+0.005x2-0.205x+0.994(4)式中： y1为初至纵波振幅Ap/激发纵波振幅A0比值； x为E/(S·kn).2) 由图6(b)可知，弹性纵波波速vp/连续介质纵波波速理论值Cp随E/(S·kn)的增大而减小，具体减小规律为：① 当E/(S·kn)≤0.1时，纵波波速衰减速率极小，衰减幅度不超过3%，vp/Cp接近于1；② 当0.1<E/(S·kn)≤1时，纵波波速衰减速率迅速增大，有陡降现象，vp/Cp介于0.80～0.97；③ 当1<E/(S·kn)≤10时，弹性纵波波速衰减速率由大变小，vp/Cp介于0.69～0.80；④ 当E/(S·kn)>10时，衰减速率越来越小，但总体衰减量越来越大，最终vp/Cp减小至0.67.用四阶多项式对图6(b)的曲线进行拟合，获得以下拟合公式：y2=0.000 003 16x4-0.001 4x3+0.058x2-0.28x+1.004 2(5)式中： y2为弹性纵波波速vp/连续介质纵波波速理论值Cp比值； x为E/(S·kn).3 结语1) 结构面法向刚度对岩体弹性纵波传播特性有重要作用，而结构面切向刚度对岩体弹性纵波传播特性几乎没有影响.2) 依次固定结构面切向刚度为不同级大小(3 GPa·m-1到30 GPa·m-1)，在每级取值下，逐渐增大结构面法向刚度，当结构面切向刚度不变时，初至纵波振幅和纵波波速皆随法向刚度的增加而增大，但增长速率逐渐减小，最终初至纵波振幅趋近于激发纵波振幅，纵波波速趋近于连续介质纵波波速理论值.3) 考虑岩块杨氏模量E、结构面间距S与结构面法向刚度kn的综合影响，引入比值E/(S·kn)，在保持kn/ks为2.5，同时改变结构面法向刚度kn与切向刚度ks时，初至纵波振幅和纵波波速都随E/(S·kn)的增加而减小，衰减速率经历极慢-变快-变慢-极慢四个阶段，以E/(S·kn)=0.1、1、10为界，最终Ap/A0减小至0.01，vp/Cp减小至0.67.参考文献：【相关文献】[1] MYER L R, PYRAKNOLTE L J, COOK N G W.Effects of single fractures on seismic wave propagation[C]//The International Conference on Rock Joints.Berkeley: Elsevier Press, 1990.[2] 李业学, 谢和平, 朱哲明, 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岩体的动力学性质.
岩体的动力学性质岩体的动力学性质是岩体在动荷载作用下所表现出来的性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形与强度性质。
一、岩体中弹性波的传播规律1、弹性波在介质中的传播速度仅与介质密度ρ及其动力变形参数Ed ，μd有关。
因此可以通过测定岩体中的弹性波速来确定岩体的动力变形参数。
2、影响弹性波在岩体中的传播速度的因素:（1）岩性：不同岩性岩体中弹性波速度不同，岩体愈致密坚硬，波速愈大，反之，则愈小。
（2）结构面：沿结构面传播的速度大于垂直结构面传播的速度。
（3）应力：在压应力作用下，波速随应力增加而增加，波幅衰减少；反之，在拉应力作用下，则波速降低，衰减增大。
（4）含水量：随岩体中含水量的增加导致弹性波速增加。
（5）温度：岩体处于正温时，波速随温度增高而降低，处于负温时则相反。
二、岩体中弹性波速度的测定可以采用地震法、声波法来测试弹性波速，下面就介绍常用的声波法。
声波法测试步骤：（1）选择代表性测线，布置测点和安装声波仪，见下图。
（2）发生正弦脉冲，向岩体内发射声波。
声波法测弹性波原理图1.发射换能器；2.接收换能器；3.放大器；4.声波发射仪；5.计时装置（3）记录纵、横波在岩体中传播的时间。
（4）根据下面的公式计算波速。
三、岩体的动力变形与强度参数1、动力变形参数动力变形参数有：动弹性模量和动泊松比及动剪切模量。
可通过声波测试确定。
优点：不扰动被测岩体的天然结构和应力状态；测定方法简便，省时省力；能在岩体中各个部位广泛进行。
计算公式：岩体与岩块的动弹性模量都普遍大于静弹性模量。
坚硬完整岩体E d/E me约为1.2～2.0 ，风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体E d/E me约为1.5～10.0左右，大者可超过20.0。
原因如下：①静力法采用的最大应力大部分在1.0～10.0MPa，少数则更大，变形量常以mm计，而动力法的作用应力约为10-4MPa量级，引起的变形量很微小。
因此静力法会测得较大的不可逆变形，而动力法则测不到这种变形。
含孔洞缺陷的岩体力学性能研究现状
含孔洞缺陷的岩体力学性能研究现状摘要：岩体中存在各种缺陷，其中孔洞缺陷是当前正在关注的重点之一。
学者将孔洞缺陷分为两类：一类是将开挖巷道、洞室等看作孔洞；一类是将岩体内的初始损伤视为孔洞。
众多学者对含孔洞缺陷的岩体进行了研究，得出孔洞的几何特征会影响岩体力学特性的结论。
实际上，天然岩体中存在各种组合缺陷，目前对含组合缺陷的岩体研究较少，因此，为了真实评价天然岩体的工程稳定性，需展开对含组合缺陷岩体力学的试验研究。
关键词：孔洞、组合缺陷、变形、力学特性随着基础设施建设和矿产资源的迅速发展，高速铁路修建、煤矿开采、能源储存及废弃物地下处置工程规模不断扩大。
岩体作为工程组成的主要介质，很大程度决定了工程的稳定性和安全性。
自然状态下，岩体是由岩石和各种结构面，如节理、裂隙、层理、软弱夹层、孔洞等组成的复杂地质体。
由于天然岩体内部结构的复杂性，岩石的力学性能很大程度上受到这些不连续结构的影响，边坡、洞室和地基的开挖必然会使地质体发生位移、变形，严重时会导致岩体的失稳破坏[1]。
隧道、洞室等地下工程在施工建设过程中充满了大量不确定因素，这些风险因素使得地下工程在施工和运营中可能发生各种事故，且事故一旦发生，不仅会造成重大人员伤亡和灾难性经济损失，而且会对周围环境和社造成恶劣影响[2]。
因此，借助理论与试验去分析含缺陷岩体变形破坏的过程并总结这些现象发生的规律，研究发生条件、过程及机理是非常重要的。
研究缺陷岩体是国际岩石力学正在关注的重点之一。
学者在研究岩体中存在孔洞缺陷时，通常把其归为两类：一类是在岩体中进行工程开挖，把巷道、硐室、隧道等看作孔洞[3-5]，研究孔洞周围裂纹演化规律；一类是把孔洞看作岩体内部初始损伤[6-9]，结合损伤、断裂力学研究孔洞岩体中裂纹萌发与演化过程，孔洞对岩体强度及变形特征的影响规律。
不论是地质作用产生的原生缺陷，抑或是人为开挖形成的孔洞，研究内容本质上都是探究荷载作用下孔洞岩体的裂纹萌发与扩展演化机制、变形破坏特征。
岩体的弹性波频散特性及等效介质模型研究
现场测试与室内试验研究
平洞洞壁地震波与声波测试
现场测试与室内试验研究
平洞洞壁地震波与声波对穿测试
现场测试与室内试验研究 将洞壁间孔深1m范围内的岩体(对穿、单孔)平均 声波速度与洞壁地震波纵波速度进行比较，并按岩体 卸荷、风化分带进行统计。 根据69个平洞的洞壁岩体声波速度和地震波纵波 速度统计分析，结果表明各类岩体的对穿声波速度和 单孔声波速度均普遍高于同一部位的地震波纵波速度。 对穿声波速度：弱卸荷和无卸荷岩体的平均比值分别 为1.37和1.16，弱风化上段、弱风化下段和微新岩体 的平均比值分别为1.71、1.40和1.16； 单孔声波速度：弱卸荷和无卸荷岩体的平均比值分别 为1.45和1.43，弱风化上段、弱风化下段和微新岩体 的平均比值分别为1.96、1.49和1.18。
根据Hudson的微扰理论模型，弹性波由 500~1500Hz（地震波频率）提高到25kHz（声波 频率）时，纵波速度的增长幅度不超过20%。
岩体频散特性理论分析 5、考虑岩体弛豫的热 弛豫模型：
E1 E0
席道瑛等在Biot方 程中引入唯象的 复模量替换有关 固体骨架模量的 部分，在新的Biot 方程中同时引入 Biot机制和热弛豫 机制。
目录
一、前言
二、岩体频散特性理论分析
三、现场测试与室内试验研究
四、等效介质模型研究与分析
五、结语
一、 前
言
前 言 岩体是天然形成的地质体，属于一种多组分非均 匀材料的复杂结构体。岩体中的宏观结构和细观结构 对弹性波的传播均有较大的影响，使得岩体具有弹性 波频散特性，即对于不同频率的弹性波，在岩体中的 传播速度将有所差异。水电工程一般采用声波或地震 波测试岩体的弹性波速度，弹性波速度是岩体分类与 完整性评价的重要参数之一，由于岩体的频散特性使 得不同测试方法得到不同的波速值，导致岩体质量评 价结果的不一致性，这种情况在诸多工程中均有出现， 为此，我院与中国科技大学合作开展相关研究。
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第33卷 第9期 岩 土 工 程 学 报 Vol.33 No.9 2011年9月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Sep. 2011 岩体中弹性波传播尺度效应的初步分析徐松林1，郑 文1，刘永贵1，席道瑛2，李广场3(1. 中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽 合肥 230027；2. 中国科学技术大学地球及空间科学系，安徽 合肥 230026；3. 浙江华东工程安全技术有限公司，浙江 杭州 310014)摘要：含缺陷岩体具有尺度效应，此类岩体中传播的弹性波也有尺度效应。
对现场测点EC37-201-06，在3.0×3.2 m2的范围内采用动态有限元方法进行了15种尺度的弹性波传播规律的分析研究。
对现场测点EC37-101-06，在1.2×1.2 m2的范围内采用准静态有限元方法进行了60种尺度的弹性波波速与围压及计算尺度的关系的计算分析。
前者采用了射线理论分析思想，而后者采用等效介质分析思想，得到了相应的弹性波的尺度效应，但二者规律有差异。
为建立二者间的联系，也为了工程应用，基于量纲理论分析方法，给出了一个半理论的波速与入射波频率的计算公式。
与现场声波和地震波测试结果，以及考虑随机分布单节理散射模型的计算结果进行比较，初步分析结果表明，此公式基本可行。
关键词：岩石动力学；弹性波；尺度效应；节理岩体；量纲分析中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2011)09–1348–09作者简介：徐松林(1971–)，男，湖北人，博士，副教授，从事材料冲击作用下响应的研究。
E-mail: slxu99@。
A preliminary analysis of scale effect of elastic wave propagation in rock massXU Song-lin1, ZHENG Wen1, LIU Yong-gui1, XI Dao-ying2, LI Guang-chang3(1. CAS Key Laboratory for Mechanical Behavior and Design of Materials, University of Science and Technology of China, Hefei 230027,China; 2. Department of Earth and Space Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 3. Zhejiang EastChina Engineering Safety Technology Corporation Ltd., Zhejiang 310014, China)Abstract:The propagation rules of elastic wave in rock mass with defects take on scale effect, just like the rock mass. The dynamic finite element method (DFEM) is employed to investigate the propagation rules of elastic waves at site-EC37-201-06.The whole computation area is 3.0×3.2 m2 and 15 kinds of computation scales are applied. A static finite element method (FEM) is used to study the relations of elastic wave velocities to the confined pressure and computation scales at site-EC37-101-06.The whole computation area is 1.2×1.2 m2 and 60 kinds of computation scales are applied. The ray theory is used in the former method, and the effective media theory is used in the later. The scale effect of elastic waves is obtained, but there are differences for the two methods. To establish their relations and provide a simple model for engineering computation, a semi-theoretical phase velocity equation is proposed based on the dimensionless method. Compared with the in-situ sonic velocities, seismic velocities and velocities computed by the theoretical model with randomly distributed joints, the proposed equation can be well used in rock mass.Key words: rock dynamics; elastic wave; scale effect; joint rock; dimensional analysis0 引 言作为天然的地质体，原位岩体含有大量的节理、裂隙等缺陷，岩体具有较强的尺度效应。
岩石研究一般有4种尺度[1]，即矿物颗粒尺度、岩石尺度、岩体尺度和地质尺度。
在工程应用和研究中主要涉及3种尺度：微观(micro-scale)、细观(meso-scale)和宏观尺度(macro-scale)，与上述的前3个尺度相当。
不同尺度的作用机制和研究方法不同，如微观尺度研究的是矿物间的相互作用，而宏观尺度研究的是岩体作为等效介质的响应，存在较大的差异，但是不同尺度研究之间的联系尚无定论。
本文进行弹性波传播的尺度效应的研究，拟将弹性波的波长作为不同尺度间的联系进行初步探索，另外，也可通过此研究解释现场声波和地震波数据的离散性和差异性。
岩体中弹性波传播的尺度效应研究目前尚不系统。
实验研究方面主要关注岩石颗粒、随机分布裂纹等缺陷的影响[2-7]。
只有Gettemy等[7]对比分析了San ───────基金项目：国家自然科学基金项目（40874093）；中央高校基本科研业务费专项资金项目收稿日期：2010–06–23第9期徐松林，等. 岩体中弹性波传播尺度效应的初步分析 1349Gregorio断裂带与岩块的波速，探讨了岩体尺度效应对波速的影响。
理论研究方面主要集中在两类[8]：等效介质理论和射线理论。
等效介质理论是宏观尺度的分析方法，将岩体按一定方式等效为一种连续介质。
主要有Eshelby等效介质模型、Hashin-shtrikman和V oigt-Reuss上下限理论、自洽模型和广义自洽模型、微分等效介质模型等。
此类理论模型的优点是：概念很清晰，比较适于工程分析，是一种宏观唯象的描述。
但不能很好地描述复杂岩体的局部性态。
射线理论是细微观尺度的分析方法，主要考虑波与岩体中不同形状的异质体相互作用。
Ying CF等[9]、Achenbach等[10]、Erikson等[11]分别研究了波与球状、圆柱状等散射体的作用问题。
形成了诸如波函数展开法、积分方程法（后来发展到应用Born近似）、转换矩阵法等分析方法[12]，提供了很好的理论分析平台。
此方法的优点是：可以充分考虑岩体局部的细观形态和局部的荷载作用。
但其工程使用比较困难。
两类理论分别对应“较大”的尺度（介质可以均匀化）和“很小”的尺度（介质完全无法均匀化）两种极端情况，但两者间尚无法建立有机的联系。
Gubernatis等[13]以弹性波波长与平均颗粒尺寸的比值，而马沃克等[8]在Mukerji[14]工作的基础上，以入射波长与非均匀介质散射直径的比值为尺度变量研究岩体波速随岩体尺度变化的规律，得到了两种尺度间过渡区域的特性。
这些研究揭示的岩体波速的尺度效应实际上与频散效应是耦合在一起的，尺度效应在岩体中弹性波传播的地位很难认识清楚。
由于问题的复杂性，本文首先将结合金沙江上游含节理裂隙的玄武岩岩体进行从cm量级到m量级不同尺度弹性波传播的数值分析，分别研究在“射线理论”假定和“等效介质”假定下，含复杂节理分布的岩体中波速和衰减系数随统计尺度的变化规律，初步揭示弹性波传播的尺度效应。
然后应用量纲理论的分析方法，探讨弹性波波速与岩体内部特征尺度间的关系，提出一个可用于工程分析的弹性波波速随频率变化的模型，初步实现细微观尺度和宏观尺度的联接。
1 工程背景弹性波波速的尺度效应的研究除了有理论上的意义外，也可以用以解释现场声波和地震波测试中常遇到的一些现象。
金沙江上游某水电站坝区主要赋存节理玄武岩、隐晶玄武岩、杏仁玄武岩、角砾玄武岩及含斑玄武岩等五种玄武岩[15]，对其进行声波与地震波测试发现：坝区岩体的声波速度与地震波速度之间存在较大的差异，相关关系差。
坝区强卸荷、弱卸荷和无卸荷岩体的声波速度与地震波速度比值的平均值分别为2.23，1.39和1.16，弱风化上段、弱风化下段和微新岩体声波速度与地震波速度比值的平均值分别为1.73，1.44和1.16。
随着岩体风化、卸荷程度的加剧，两者差异明显。
本文图10中的现场声波和地震波测试结果与此相对应。
坝区各种岩性均存在类似的现象与规律。
岩体声波速度和地震波速度是工程岩体质量评价的指标，二者的巨大差异给工程岩体的分级和水工建筑物的设计带来了很大的困难，影响到了工程的施工。
此处现场弹性波测试中平硐与钻孔岩体声波测试换能器主频为25 kHz，测试间距20 cm；平洞地震波测试以锤击作震源，地震波纵波主频一般为500＃1500 Hz，测试间距100 cm。
两种弹性波测试方法所采用的入射波频率不同，测试覆盖的岩体尺度有差异。
两种弹性波属性也不一样：地震波是体积波，而声波为面波。
这是测试技术上的差异，工程岩体质量评价标准中在有限的范围（<30%）进行了考虑。