專利名稱：一種測(cè)量巖石壓縮裂紋擴(kuò)展過程聲波波速的連續(xù)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的加載過程波速測(cè)試，特別適合于分析巖石壓縮過程中由于裂紋擴(kuò)展而引起波速的變化，特別適合于預(yù)制裂紋巖石試樣壓縮過程中裂紋擴(kuò)展而引起的波速變化研究。
背景技術(shù)：
在振動(dòng)作用下，除了震源附近，材料中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的瞬間微應(yīng)變，從而可以假定為彈性。從這個(gè)假定出發(fā)，振動(dòng)波在材料中的傳播速度由材料的彈性參數(shù)和密度決定。根據(jù)彈性理論，材料中波速與彈性參數(shù)之間的關(guān)系為Vp=(I)V*=⑵式中Vp縱波速度；vs橫波速度；E彈性模量；μ泊松比。巖石的縱波波速、橫波波速參數(shù)能較好地反映巖石的致密程度、強(qiáng)度特性、裂紋發(fā)育等情況。因此，在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和巖體工程實(shí)踐中，得到了廣泛的運(yùn)用。《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-99)、《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL264-2001)都把巖石 (塊)聲波測(cè)試和巖體聲波測(cè)試作為基本測(cè)試內(nèi)容，分別如圖1A、1B、1C和圖2所示。在地下巖體工程特別是煤礦采掘工程中，巖體松動(dòng)圈測(cè)試就是利用波速在不同松動(dòng)破壞程度、 不同裂紋擴(kuò)展程度巖體中的波速差異來判斷巖體松動(dòng)圈范圍。聲波波速的測(cè)量是將聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭通過耦合劑緊貼巖石表面，通過測(cè)量聲波在發(fā)射探頭和接受探頭之間的傳播時(shí)間t，并測(cè)量?jī)蓚€(gè)探頭之間的距離S，計(jì)算測(cè)試巖石中的聲波波速。
SV =-
1(3)然而，目前在巖石(塊)、巖體中進(jìn)行的測(cè)試都是靜態(tài)的波速測(cè)試，即巖石在確定的外部環(huán)境下，不變的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行波速測(cè)試。圖3A、3B、3C和3D分別為花崗巖(Westerly Granite)中的軸向微裂紋、花崗巖 (Lac du Bonnet Granite)壓縮試樣中的裂紋、二云英片巖(Quartz Mica Schist)單軸壓縮試驗(yàn)的軸向裂紋和最大主應(yīng)力垂直條件下洞室開挖洞壁附近剝落破壞示意圖。在單軸壓縮或低圍壓應(yīng)力條件下，巖石等脆性材料(混凝土、玻璃、冰等等)首先產(chǎn)生張拉裂紋，并優(yōu)先沿加載方向發(fā)育。這一結(jié)論已經(jīng)被大量的研究所證實(shí)。例如Martin, C. D. and Chandler, N. A. ,1994. The progressive fracture of Lac du Bonnet granite. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,31(6) :643-659.Diederichs, M. S. ,2003. Manuel Rocha Medal recipient-Rock fracture and collapse under low confinement conditions. Rock Mechanics and Rock Engineering, 36(5) :339-381.
Lan，H. X.，Martin，C. D. and Hu, B. , 2010. Effect of heterogeneity of brittle rock on micromechanicai extensile behavior during compression loading. Journal of Geophysical Research-Solid Earth,115.由于張拉裂紋沿加載方向發(fā)展,會(huì)對(duì)與加載方向垂直方向的聲波波速有較大的影響。裂紋的存在，導(dǎo)致巖石材料垂直裂紋方向的彈性模量降低，根據(jù)公式(I)和公式(2)，彈性模量的降低會(huì)使得巖石的聲波波速降低。這一結(jié)論也被相關(guān)研究所證實(shí)，例如O’ Connell，R. J.，Budiansky, B.，1974. Seismic velocities in dry and saturated cracked solids. J. Geophys. Res. 79, 5412-5426.Kachanov, M. , 1992.Effective elastic properties of cracked solids critical review of some basic concepts. Appl. Mech. Rev. 45,304-335.Ullemeyer，K.，et al. ,Experimental and texture-derived P-wave anisotropy of principal rocks from the TRANSALP traverse An aid for the interpretation of seismic field data. Tectonophysics,2006. 414(1-4) p.97-116.裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通過程中沿垂直裂紋方向聲波波速會(huì)不斷變化。已有的靜態(tài)波速測(cè)試手段不能滿足這一測(cè)量要求，需要發(fā)明一種動(dòng)態(tài)連續(xù)聲波測(cè)試方法來實(shí)現(xiàn)這一功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種測(cè)量巖石壓縮裂紋擴(kuò)展過程聲波波速的連續(xù)測(cè)量方法，通過固定聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭，采用數(shù)據(jù)連續(xù)自動(dòng)記錄系統(tǒng)連續(xù)記錄聲波在巖石試樣中的傳播時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)單軸壓縮加載裂紋擴(kuò)展過程中巖石試樣徑向的聲波波速的連續(xù)測(cè)量，獲得巖石加載過程中的聲波波速-加載時(shí)間變化曲線，為巖石試樣加載過程裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通整個(gè)過程中聲彈性研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保障。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種測(cè)量巖石壓縮裂紋擴(kuò)展過程聲波波速的連續(xù)測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一將準(zhǔn)備好的巖石試樣置于單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)，做好單軸壓縮試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作；其中，試樣為脆性材料，在單軸壓縮條件下沿軸向產(chǎn)生以張拉裂紋為主的裂紋；除巖石材料外，試樣還可以為混凝土、玻璃、冰等脆性材料；步驟二 將聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭分別固定于單軸壓縮巖石試樣側(cè)面，聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭采用彈簧、施力螺絲、測(cè)力計(jì)以一定的壓力進(jìn)行固定；步驟三打開數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)，打開聲波發(fā)射探頭自動(dòng)連續(xù)激發(fā)聲波，數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)能以一定的采用頻率記錄聲波在加載試樣中的傳播時(shí)間，進(jìn)行連續(xù)測(cè)量；步驟四啟動(dòng)加壓系統(tǒng)對(duì)巖石試樣以較低的加載速率進(jìn)行加載，產(chǎn)生沿軸向發(fā)育的裂紋，直至巖石破壞；步驟五數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)得到的是聲波在試樣中的傳播時(shí)間，將聲波傳播的距離除以傳播時(shí)間，得到試樣加載全過程連續(xù)的聲波波速，最終得到聲波波速-加載時(shí)間曲線。
所述聲波波速包括縱波波速和橫波波速；試樣尺寸滿足單軸壓縮試驗(yàn)尺寸要求， 巖石試樣的形狀可以是圓柱體、長(zhǎng)方體，也可以是有預(yù)制裂紋的巖石試樣；預(yù)制裂紋可以是張開裂紋、閉合裂紋或巖石表面一定深度的槽型裂紋，預(yù)制裂紋可以是單條，也可以是兩條或多條的組合裂紋。所述聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭可以是最簡(jiǎn)單的一發(fā)一收模式，也可以在試樣右側(cè)固定兩個(gè)或多個(gè)聲波接收探頭來分析沿加載試樣內(nèi)不同方向的聲波波速，即一發(fā)多收的模式。所述聲波測(cè)試方向?yàn)榇怪绷鸭y產(chǎn)生的主方向，也即為垂直于單軸壓縮方向。對(duì)整個(gè)巖石壓縮裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行聲波波速的連續(xù)測(cè)量，也可以用于多孔隙巖石試樣飽水(或干燥)過程中波速變化全過程測(cè)量。由上述提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的巖石壓縮加載裂紋擴(kuò)展過程巖石試樣徑向聲波波速測(cè)測(cè)量方法，由于通過固定聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭于加載試樣側(cè)面；采用數(shù)據(jù)連續(xù)自動(dòng)記錄系統(tǒng)連續(xù)記錄聲波在巖石試樣中的傳播時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)單軸壓縮加載裂紋擴(kuò)展過程中的聲波波速的連續(xù)測(cè)量。


圖1A, IB, IC是巖石(塊)聲波測(cè)試；圖2是巖體聲波測(cè)試；圖3A，3B，3C，3D是巖石不同尺度的張拉破壞；圖4A，4B，4C是巖石試樣；圖5是測(cè)量巖石壓縮過程聲波波速連續(xù)測(cè)量裝置系統(tǒng)；圖6A，6B，6C是單軸壓縮試樣裂紋擴(kuò)展過程聲波波速測(cè)量；圖7A，7B，7C是預(yù)制單裂紋試樣加載裂紋擴(kuò)展過程聲波波速測(cè)量。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)于本發(fā)明提供的一種測(cè)量巖石壓縮裂紋擴(kuò)展過程聲波波速的連續(xù)測(cè)量方法做出詳細(xì)說明。首先，制作巖石試樣，試樣尺寸按照單軸壓縮實(shí)驗(yàn)規(guī)程比例。試樣要求磨平，平整度滿足單軸壓縮試驗(yàn)要求。巖石試樣為脆性材料，在單軸壓縮條件下沿軸向產(chǎn)生以張拉裂紋為主的裂紋。除巖石材料外，還包括常見的脆性材料，如混凝土、玻璃、冰等脆性材料。巖石試樣的形狀可以是4A、4B、4C所示的圓柱體、長(zhǎng)方體和有預(yù)制裂紋的巖石試樣。預(yù)制裂紋可以是張開裂紋、閉合裂紋和巖石表面一定深度的槽型裂紋，預(yù)制裂紋可以是單條，也可以是兩條或多條的組合裂紋。然后，如圖5所不,將巖石放置在單軸巖石試驗(yàn)機(jī)上，固定好巖石試樣8于底盤6 和加壓盤7之間，做好單軸壓縮試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。其中，完整試樣一般固定在試樣的中間部位；預(yù)制裂紋試樣應(yīng)布置在預(yù)制裂紋的上部或下部，即使得聲波傳播基本不受預(yù)制裂紋的干擾，而只觀察加載所新產(chǎn)生裂紋對(duì)聲波波速的影響。接下來，固定聲波發(fā)射探頭I和聲波接收探頭2于試樣8兩側(cè)。為了保證探頭和巖石試樣之間的良好耦合，除了在探頭與巖石試樣見涂抹薄層黃油、甘油或凡士林等耦合劑外，還通過壓緊彈簧3，測(cè)力計(jì)4，施力螺絲5以一定的壓力進(jìn)行固定，作用在探頭上，達(dá)到增強(qiáng)耦合的效果。彈簧壓力大小可以通過測(cè)力計(jì)4讀出，參照國(guó)際巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程，詳見 Ulusay, R. and Hudson, J. A. (2007)The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring : 1974-2006。取探頭作用在巖石表面的應(yīng)力為lON/cm2左右，乘以探頭與巖石的接觸面積，計(jì)算出所需彈簧壓力值。實(shí)際測(cè)量中也可以同過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣聲速的標(biāo)定來確定合適的彈簧壓力值。圖5中為最簡(jiǎn)單的一發(fā)一收模式, 可以在試樣右側(cè)固定兩個(gè)或多個(gè)聲波接收探頭，以一發(fā)多收的方式來分析沿加載試樣內(nèi)不同方向的聲波波速。完成固定探頭程序后，就可以打開數(shù)據(jù)采集器9和數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)10，打開聲波發(fā)射探頭自動(dòng)連續(xù)激發(fā)聲波，接收探頭接收經(jīng)巖石試樣傳播過來的聲波信號(hào)，數(shù)據(jù)采集器采集聲波在發(fā)射探頭和接收探頭之間(即巖石試樣中)的傳播時(shí)間，并將該傳播時(shí)間傳輸給數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)，進(jìn)行記錄并存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)能以一定的采樣頻率記錄聲波在加載試樣中的傳播時(shí)間，進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。由于傳統(tǒng)的聲波測(cè)試是測(cè)量穩(wěn)定狀態(tài)的聲波波速，因此數(shù)據(jù)采集器(或示波器)只是顯示當(dāng)前聲波在聲波發(fā)射探頭和接收探頭之間傳播的時(shí)間間隔，測(cè)量者從顯示器上讀出聲波傳播時(shí)間。本發(fā)明要求連續(xù)記錄聲波傳播時(shí)間， 因此，提出采用數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)記錄聲波傳播時(shí)間。數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)可以選擇不同的頻率進(jìn)行記錄并存儲(chǔ)。隨后啟動(dòng)加壓系統(tǒng)對(duì)巖石試樣以較低的加載速率進(jìn)行加載，加載直至巖石試樣發(fā)生宏觀破壞。加載過程中記錄作用在巖石上的應(yīng)力和軸向、徑向應(yīng)變。這些是常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)的內(nèi)容，在此就不一一贅述。詳細(xì)可查看國(guó)際和國(guó)內(nèi)的相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程。最后，連續(xù)記錄系統(tǒng)得到的是聲波在試樣中的傳播時(shí)間，需要用聲波傳播的距離 D(圓柱形試樣)；L(長(zhǎng)方體試樣)除以傳播的時(shí)間，得到試樣加載全過程連續(xù)的聲波波速。 繪制出聲波波速-加載時(shí)間曲線。整個(gè)加載裂紋擴(kuò)展過程聲波波速測(cè)量過程示意圖如圖6、圖7所示。其中，圖6A， 6B，6C分別對(duì)應(yīng)為單軸壓縮試樣裂紋過程聲波波速測(cè)量中的加載初期，未產(chǎn)生裂紋、加載中期，產(chǎn)生裂紋和加載后期，產(chǎn)生大量裂紋；圖7A，7B, 7C分別對(duì)應(yīng)為預(yù)制單裂紋試樣加載裂紋過程聲波波速測(cè)量中的加載初期，未產(chǎn)生裂紋、加載中期，產(chǎn)生裂紋和加載后期，裂紋增長(zhǎng)、增多。由于本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)巖石壓縮裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行聲波波速的連續(xù)測(cè)量，也可以用于多孔隙巖石試樣飽水(或干燥)全過程聲波波速測(cè)量。本發(fā)明通過固定聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭，采用數(shù)據(jù)連續(xù)自動(dòng)記錄系統(tǒng)連續(xù)記錄聲波在巖石試樣中的傳播時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)單軸壓縮加載裂紋擴(kuò)展過程中巖石試樣徑向的聲波波速的連續(xù)測(cè)量。實(shí)現(xiàn)了聲波波速的連續(xù)測(cè)量，從而為巖石試樣加載過程裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通整個(gè)過程中聲彈性研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保障。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量巖石壓縮裂紋擴(kuò)展過程聲波波速的連續(xù)測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一將準(zhǔn)備好的巖石試樣置于單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)，做好單軸壓縮試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作； 其中，試樣為脆性材料，在單軸壓縮條件下沿軸向產(chǎn)生以張拉裂紋為主的裂紋；除巖石材料外，試樣還可以為混凝土、玻璃、冰等脆性材料；步驟二 將聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭分別固定于單軸壓縮巖石試樣側(cè)面，聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭采用彈簧、施力螺絲、測(cè)力計(jì)以一定的壓力進(jìn)行固定；步驟三打開數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)，打開聲波發(fā)射探頭自動(dòng)連續(xù)激發(fā)聲波， 數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)能以一定的采用頻率記錄聲波在加載試樣中的傳播時(shí)間，進(jìn)行連續(xù)測(cè)步驟四啟動(dòng)加壓系統(tǒng)對(duì)巖石試樣以較低的加載速率進(jìn)行加載，產(chǎn)生沿軸向發(fā)育的裂紋，直至巖石破壞；步驟五數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)得到的是聲波在試樣中的傳播時(shí)間，將聲波傳播的距離除以傳播時(shí)間，得到試樣加載全過程連續(xù)的聲波波速，最終得到聲波波速-加載時(shí)間曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述聲波波速包括縱波波速和橫波波速。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述試樣尺寸滿足單軸壓縮試驗(yàn)尺寸要求，巖石試樣的形狀可以是圓柱體、長(zhǎng)方體，也可以是有預(yù)制裂紋的巖石試樣；預(yù)制裂紋可以是張開裂紋、閉合裂紋或巖石表面一定深度的槽型裂紋，預(yù)制裂紋可以是單條，也可以是兩條或多條的組合裂紋。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，聲波測(cè)試方向?yàn)榇怪绷鸭y產(chǎn)生的主方向， 也即為垂直于單軸壓縮方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭可以是最簡(jiǎn)單的一發(fā)一收模式，也可以在試樣右側(cè)固定兩個(gè)或多個(gè)聲波接收探頭來分析沿加載試樣內(nèi)不同方向的聲波波速，即一發(fā)多收的模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，對(duì)整個(gè)巖石壓縮裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行垂直裂紋主發(fā)育方向的聲波波速的連續(xù)測(cè)量，也可以用于多孔隙巖石試樣飽水(或干燥)過程中波速變化全過程測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種測(cè)量巖石壓縮裂紋擴(kuò)展過程聲波波速的連續(xù)測(cè)量方法，通過固定聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭于加載試樣側(cè)面，采用數(shù)據(jù)連續(xù)自動(dòng)記錄系統(tǒng)連續(xù)記錄聲波在巖石試樣中沿與加載垂直的方向的傳播時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)單軸壓縮加載裂紋擴(kuò)展過程中巖石試樣徑向的聲波波速的連續(xù)測(cè)量。實(shí)現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展過程垂直裂紋發(fā)育主方向聲波波速的連續(xù)測(cè)量，從而為巖石試樣加載過程裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通整個(gè)過程中聲彈性研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保障。
文檔編號(hào)G01H5/00GK102589672SQ201210008360
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者張仕平, 張曉平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所