基于声弹理论的地应力超声测量方法(1)

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1、第25卷增2岩石力学与工程学报Vol.25Supp.22006年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.，2006基于声弹理论的地应力超声测量方法田家勇，王恩福(中国地震局地壳应力研究所，北京100085)摘要：首先描述岩石的声弹理论，给出岩石的应力与弹性波波速之间的理论关系；其次利用岩石应力与弹性波波速之间的理论关系提出地应力超声测量方法，即通过测量套孔应力解除前后的孔壁超声波波速的变化，利用声弹理论反演出地应力。通过数值算例讨论地应力对孔壁超声波速的影响，其

2、结果表明，该方法可以有效地确定地应力的大小和方向。关键词：岩石力学；声弹理论；地应力；超声波；波速中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)增2–3719–06ULTRASONICMETHODFORMEASURINGIN-SITUSTRESSBASEDONACOUSTOELASTICITYTHEORYTIANJiayong，WANGEnfu(InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，Chin

3、a)Abstract：Anewmethodformeasuringin-situstresseswithultrasoundisdevelopedbasedonacoustoelasticitytheory.First，acoustoelasticitytheoryofrockisshown，whichgivesthetheoreticalrelationbetweentheultrasonicwavevelocityandin-situstressofrock.Second，basedontheacoustoelast

4、icitytheoryofrock，anultrasoundmethodfordeterminingthein-situstressofrockispresented.Thevelocityvariationofultrasonicwavesalongaboreholesurfacebeforeandafterovercoringismeasured，basedonwhichthein-situstresscanbebackanalyzed.Last，numericalexampleshowstheinfluenceof

5、rockstressesonwavevelocitiesalongtheboreholesurface.Thenumericalresultsrevealthatthismethodcaneffectivelydeterminethemagnitudeandthedirectionofin-siturockstresses.Keywords：rockmechanics；acoustoelasticitytheory；in-situstress；ultrasonicwaves；wavevelocity[3]塑性损伤、塑性应

6、变比的测定中。在岩石力学领1引言域，实验研究也发现岩石的初始应力同样可以引起横波的分裂，并且在相同压力条件下弹性波波速的[4]20世纪中期，实验研究发现，初始应力的存在改变相对金属晶体大得多。P.Johnson和P.[5]能够引起金属材料的各向异性，从而使入射的横波Rasolofosaon通过理论和实验证明岩石由应力引分解为2个波，这2个波的传播速度不同于无应力起的P波各向异性远大于S波的双折射性。X.Huang[6]金属晶体中的速度，这种现象称为声弹性双折射，可等将金属晶体的声弹理论应用到岩石的残余应力[1，2]以利用

7、金属晶体的声弹理论来解释。目前，金与岩石声速的关系研究，结果表明金属晶体的声弹[7]属晶体的声弹理论已广泛应用在金属材料的应力、理论可以有效解释岩石的实验结果。S.Vega讨论收稿日期：2005–12–09；修回日期：2006–02–10作者简介：田家勇(1974–)，男，博士，2002年于北京大学力学与工程科学系固体力学专业获博士学位，现任副研究员，主要从事固体弹性动力学方面的研究工作。E-mail：chenlitedtian@yahoo.com.cn•3720•岩石力学与工程学报2006年了岩石固有各向异性和初始应力

8、引起的声速各向异性的差别。K.W.Winkler等[8]讨论了声波测井中应Nv力集中对声波波速的影响，结果表明由于初始应力的存在会造成频散曲线的交叉，而岩石的各向异性n[9]则不会引起频散曲线的交叉。B.K.Sinha等研究uiu了三轴应力对测井中Stoneley波和弯曲波频散关系f的影响，指出在存在应力条件下，剪切