CN112557499B - 一种基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法 - Google Patents

一种基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法，首先使用超声实验设备通过跨孔法测得超声波通过完整试样的信号作为入射波，随后测量超声波通过含节理试样两端的信号作为透射波。基于直接测得的入射波及透射波波形图，通过定义初始波、初始波幅值、初始波持续时间特征值，计算应力波透射系数，在时域内对节理对应力波透反射规律影响进行研究。通过加窗傅里叶对入射波及透射波进行处理，在频率域内对节理对应力波透反射规律影响进行研究。本发明通过测量超声波入射完整试样及含节理试样的波形图计算时域及频率域透射系数来研究应力波入射节理岩体后的透反射规律，推断岩体内部节理分布状况，为岩体稳定性评估提供参考。

Description

一种基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法
技术领域
本发明属于岩石力学室内试验及工程检测领域，具体涉及一种基超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法。
背景技术
自然界的岩体内包含了大量的如节理、断层、层面等不连续结构面，这些不连续结构面使得岩体的力学性质与岩石有很大差异。研究表明，节理的力学特性对岩体强度以及稳定性有着至关重要的影响。
目前常用的评估节理对应力波透反射规律研究的试验方法分为以下几类：
基于分离式霍普金森压杆的冲击试验，此方法的固有缺陷在于：
1、分离式霍普金森压杆试验的基本假设是一维条件，但其测量使用的应变片对称粘贴在入射杆和透射杆表面而无法埋藏在杆件内部，这会产生系统误差并无法解决。
2、霍普金森压杆试验对于控制精度不高，很难做到相同的加载率，加载率在加载过程中变化较大，试样在加载过程中受力不均，试验可重复性较差，对岩石材料类的试验结果的准确性不高。
3、应力波会发生波形弥散，端面的摩擦效应较难解决。
室外爆炸试验及开采大试样的室内爆炸试验，此方法的固有缺陷在于：此方法受到地质条件的复杂性、高昂的试验费用、爆炸源的管控、爆炸的危险性、监测技术的限制，如果室内爆炸试验试样尺寸较小，又存在着固定难度、稳定性、测量元件的安置和数据采集的巨大难度。
发明内容
本发明的目的是提出了一种基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法，该方法通过测量超声波入射完整试样及含节理试样的波形图计算时域及频率域透射系数来研究应力波入射节理岩体后的透反射规律，可以推断岩体内部节理分布状况，为岩体稳定性评估提供参考。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法，
S1、使用超声实验设备通过跨孔法测得超声波通过完整岩石试样的信号作为入射波；
S2、测量超声波通过含节理试样两端的信号作为透射波，基于直接测得的入射波波形图及透射波波形图，通过定义初始波、初始波幅值、初始波持续时间3个特征值，计算时域内应力波透射系数，在时域内评估应力波入射节理后的能量耗散并评估岩体稳定性；
S3、通过加窗傅里叶对入射波及透射波进行处理，计算频率域内应力波透射系数,在频率域内评估应力波入射节理后的能量耗散并评估岩体稳定性；
所述时域内应力波透射系数的计算方法为：透射波初始波幅值与入射波幅值的比值。
所述频率域内应力波透射系数的计算方法为：透射波频谱幅值与入射波频谱幅值的比值。
所述透射波频谱幅值计算方法为： S31、截取入射波初始波和透射波初始波；
S32、选定一个窗函数，窗函数的选择依据是保留原函数大部分低频部分的同时对高频部分范围影响较小，相同类型试样的滤波函数与窗函数保持一致，窗函数的宽度与截取的初始波相同且窗函数的幅值为1，将窗函数与截取的原函数对应相乘，得到滤波后的函数；
S33、对滤波后函数进行快速傅里叶变化得到入射波及透射波的频谱幅值。
所述时域内应力波透射系数与频率域内应力波透射系数误差小于5%。
还包括岩体开挖的稳定性评估步骤，根据频率域透射系数及工程施工产生爆炸波情况评估岩体开挖的稳定性，具体是：
情况一：在已经建成的地下结构工程抗震性能评估方面，周围岩体满足抗震性能要求透射系数临界值时视为满足抗震要求；
情况二：在地下岩体爆破开挖工程的岩体稳定性评估中，透射系数大于爆炸开挖岩体透射系数临界值时视为稳定，无坍塌风险。
上述方案的有益效果是：
1、在储油岩体开挖工程稳定性评估的实践应用中，通过钻机钻取两个钻孔，将超声探头放入两个钻孔中，测定信号并计算上述频率透射系数就可以了解岩体内部节理分布方式，依据爆炸开挖岩体透射系数临界值合理选择爆破源及开挖方式。
2、在实验室试验中，通过此方法，研究不同种类的节理，包括但不限于不同数量和节理间距的垂直节理、倾斜节理、断续节理、交错节理，对应力波透反射规律的影响。
本发明基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法在工程探测的实践应用中具有重要的意义，例如间距很小的平行等距节理组在储油岩体中是很常见的地质结构，使用超声设备通过跨孔法测得透射系数后可以推断岩体内部节理分布状况，为岩体稳定性评估提供参考。
在实验室实验中，基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法做出的相关研究相较于其他试验方法具有经济效益高，在未来有关岩体无损检测、地下结构工程和岩体边坡在地震、爆破作用下的稳定性研究方面具有重要意义。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法流程图；
图2为滤波过程图；
图3为频谱幅值图。
具体实施方式
为了更加清楚的表述本发明的目的、技术和优点，下面结合本发明具体实施例和对本发明进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅为本发明实施例的一部分，并不是所有的实施例，对于基于本发明的实施例，但没有做出其他创造性劳动的其他所有实施例，都属于本发明保护范围内。
超声实验是一种通过节理对应力波传播的影响来探测节理的有效方法，可以评估有效接触面积、节理频率特性、节理数量、节理间距等，通常用于分析应力波入射线弹性节理的实验中。
在室内试验中常用的节理岩体制作方式包括切割天然岩体或通过仿照天然节理岩体来设计铸铁模具使用水泥砂浆等类岩体材料进行浇筑。
其中，切割天然岩体的优点在于可以分析工程实践中特定类型岩体中节理对等对应力透反射规律影响；
使用水泥砂浆等类岩石材料的优点在于可以将节理岩体简化成为具有节理面的各向同性的连续体，并以此为依据来制备等效的节理岩体的物理模型，就可以消除天然岩体中可能存在的众多微裂缝对应力波传播的影响。
在实际工程应用中，间距很小的平行等距节理组在储油岩体中是很常见的地质结构，利用此超声试验技术高效探测裂隙，包括评估接触面，分析节理主频以及粗糙度等。
本发明一种基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法，包括：
（1）在现场岩体探测中使用径向换能器为代表的超声探头通过跨孔法推测岩体节理分布情况，
（2）在实验室实验中使用径向换能器或平面换能器为代表的超声探头测量完整试块及含节理试块的超声波波形图，将超声波通过完整试样波形图作为入射波，将超声波通过含节理试样波形图作为透射波，将入射波和透射波导出后截取初始波，初始波是超声波测量结果中最先到达的波，是第一个包含波峰和波谷的完整波，初始波波峰值为初始波幅值，时域透射系数为透射波初始波幅值与入射波幅值的比值。时域透射系数在理论模型分析上具有更高的精确性，在实际工程的测量中可能会受到超声探头和试样耦合的影响。
选定一个窗函数，窗函数是为了减少频谱能量泄露，对信号进行截断的截取函数，窗函数的选择依据是保留原函数大部分低频部分的同时对高频部分范围影响较小。为了获得一致、可用于对比的结果，相同类型试样的滤波函数与窗函数应保持一致。
窗函数的宽度，时间长度，通常与截取的初始波相同且窗函数的幅值为1，将窗函数与截取的原函数对应相乘。
作为一个具体实施例，可选窗函数为一个半余弦函数的前半个周期，即y=0.5*(1+cosωx)值从1到0的部分，y=1与初始波的起点对应，y=0与初始波的终点对应，初始波数据的每一个点的电压值与窗函数的对应点的y值相乘，x与采样时间保持一致，这样就得到了滤波后的函数。
对滤波后结果进行快速傅里叶变换计算，主频率为超声探头接收到的通过岩体的最多的超声波对应频率，其对应数值为频谱幅值。频率域透射系数为透射波频谱幅值与入射波频谱幅值的比值。
现场试验探测时域透射系数与频域透射系数误差小于5%认定为有效。实验室试验研究中当试样长度足够，透射波不受到端面反射叠加时，时域透射系数与频域透射系数误差小于5%认定为有效。如试样长度较短，透射系数计算宜采用频域透射系数。
实施例：
以某实验室超声实验为例，该实验的工程背景为某个储油结构的开挖稳定性评估工程。在此背景下，将现场岩石取回制成岩样，通过径向换能器测量通过相同种类无节理岩石后的超声波作为入射波，测量通过现场含节理岩体后的超声波作为透射波，具体为以下步骤：
1)制作岩样，将从现场取回的岩石制作成岩样，岩样的节理部分可参照施工现场的岩石节理进行制作。
2)记录接收端超声探头，本实施例中使用径向换能器测得的通过无节理岩石的超声波为入射波。截取入射波初始波，记录入射波初始波幅值为11.52mv。
3)记录接收端超声探头，本实施例中使用径向换能器，测得的通过步骤1）所述岩样的超声波为透射波。截取透射波初始波，记录透射波初始波幅值为6.128mv。
4)计算时域透射系数为6.128/11.52=0.53；
5)对入射波初始波进行滤波处理窗函数为一个半余弦函数的前半个周期，即y=0.5*(1+cosωx)值从1到0的部分，y=1与初始波的起点对应，y=0与初始波的终点对应，初始波数据的每一个点的电压值与窗函数的对应点的y值相乘，x与采样时间保持一致，通过快速傅里叶变换计算得到其主频率为36360Hz，频谱幅值为179.45mv。
6)对透射波初始波进行滤波处理窗函数为一个半余弦函数的前半个周期，即y=0.5*(1+cosωx)值从1到0的部分，y=1与初始波的起点对应，y=0与初始波的终点对应，初始波数据的每一个点的电压值与窗函数的对应点的y值相乘，x与采样时间保持一致，通过快速傅里叶变换计算得到其主频率为32260Hz，频谱幅值为92.63mv。
7)计算频率域透射系数为92.63/179.45=0.52；
8）频率域透射系数与时域透射系数误差比例为（0.53-0.53）/0.52*100%=1.92%；
9）根据透射系数及工程施工产生爆炸波情况评估岩体开挖的稳定性。

Claims (3)

1.一种基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法，其特征在于，
S1、使用超声实验设备通过跨孔法测得超声波通过完整岩石试样的信号作为入射波；
S2、测量超声波通过含节理试样两端的信号作为透射波，基于直接测得的入射波波形图及透射波波形图，通过定义初始波、初始波幅值、初始波持续时间3个特征值，计算时域内应力波透射系数，在时域内评估应力波入射节理后的能量耗散并评估岩体稳定性；
S3、通过加窗傅里叶对入射波及透射波进行处理，计算频率域内应力波透射系数,在频率域内评估应力波入射节理后的能量耗散并评估岩体稳定性；
所述时域内应力波透射系数的计算方法为：透射波初始波幅值与入射波幅值的比值；
所述频率域内应力波透射系数的计算方法为：透射波频谱幅值与入射波频谱幅值的比值；
还包括岩体开挖的稳定性评估步骤，根据频率域透射系数及工程施工产生爆炸波情况评估岩体开挖的稳定性，具体是：
情况一：在已经建成的地下结构工程抗震性能评估方面，周围岩体满足抗震性能要求透射系数临界值时视为满足抗震要求；
情况二：在地下岩体爆破开挖工程的岩体稳定性评估中，透射系数大于爆炸开挖岩体透射系数临界值时视为稳定，无坍塌风险。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法，其特征在于，所述透射波频谱幅值计算方法为：
S31、截取入射波初始波和透射波初始波；
S32、选定一个窗函数，窗函数的选择依据是保留原函数大部分低频部分的同时对高频部分范围影响较小，相同类型试样的滤波函数与窗函数保持一致，窗函数的宽度与截取的初始波相同且窗函数的幅值为1，将窗函数与截取的原函数对应相乘，得到滤波后的函数；
S33、对滤波后函数进行快速傅里叶变化得到入射波及透射波的频谱幅值。
3.根据权利要求1所述基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法，其特征在于，所述时域内应力波透射系数与频率域内应力波透射系数误差小于5%。
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