岩体的弹性波频散特性及等效介质模型研究

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1、岩体的弹性波频散特性及等效介质模型研究报告人：黄世强2012年9月24日中国水力发电工程学会地质及勘探专业委员会中国水利电力物探科技信息网2012年会交流论文目录二、岩体频散特性理论分析三、现场测试与室内试验研究一、前言四、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

2、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。前言岩体的结构体形式目录二、岩体频散特性理论分析岩体频散特性理论分析大量的研究成果资料表明，岩体的弹性波频散特性客观存在，但无法利用经典的连续介质弹性波理论进行解释。近年来国内外学者针对岩体的频散特性开展研究，相继提出基于复合材料细观力学的弹性波粘弹性理论：基于孔隙介质液体流动的Biot理论模型，考虑喷射机制的BISQ理论模型，考虑岩体裂纹的Hudson微扰理论模型和考虑岩体弛豫的热弛豫模型等，或研究岩体中弹性波的散射问题，试图利用这些理论或模型解

3、释岩体的弹性波频散特性。岩体频散特性理论分析1、基于复合材料细观力学的弹性波粘弹性理论：当弹性波频率由500~1500Hz（地震波频率）提高到25kHz（声波频率）时，根据粘弹性理论模型计算的波速增长不超过20%。岩体频散特性理论分析2、基于孔隙介质液体流动的Biot理论模型：基本假定：①波长远远大于所研究的宏观体积单元。②流体和固体相的位移均为小位移。③所研究的液相是连续的。④假设基质是各向同性的。⑤不考虑热力耦合等耦合现象。⑥低频时，孔隙中的流体为泊松流体，高频时需作与孔隙形状有关的校正。岩体频散特性理论分析3、考虑喷射机制的BISQ理论模型：认为：Biot机制是流体受固体骨

4、架作用发生与波传播方向同向的运动引起的，同时考虑由于弹性波对细小孔隙的喷射压榨导致垂直波传播的方向的流体流动。岩体频散特性理论分析根据Biot模型和BISQ模型，在低频时，纵波速度随频率的变化幅度均不大。Biot模型频散效应只在临界频率附近狭窄的区域有变化，但幅度约在1%；BISQ模型频散效应在高于临界频率附近狭窄的区域较明显，幅度约在10%。Log（f）Vp岩体频散特性理论分析4、考虑岩体裂纹的Hudson微扰理论模型：Hudson用等效介质理论，考虑具有较长波长的波在破碎岩体中的传播问题，得到由于裂隙的存在波速和弹性常数的表达式：根据Hudson的微扰理论模型，弹性波由500

5、~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：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。E1hE0热驰豫机制模型可以在全频率域表现出较明显的频散特性，最大增长幅度可达到40%左右。但该模型在考虑岩体局部细观结构时有困难。岩体频散特性理论分析根据现有各种弹性波频散理论模型计算，不同频率弹性波的速度差异并不大，不能完全解释岩体的频散现象。最新的研究成果表明，岩体还具有弹性波尺度效应特征。Gettemy等(200

6、4)对比研究了SanGregorio断裂带与岩块的波速，分析不同岩块尺度对波速的影响；Mukerji(1995)、Kinra(1982)等通过复合结构模型实验来研究弹性波的尺度效应，采用不同频率的弹性波测试其传播速度，试图揭示弹性波尺度效应的现象。研究结果表明，复合结构的弹性波速度和波长与模型尺度比值有较大的关联性，高低频弹性波速度的最大差异达到70%左右。复合结构模型的尺度效应图（Mukerji）岩体频散特性理论分析岩体频散特性理论分析弹性波频散理论模型计算和尺度效应研究成果均表明，岩体的频散特性客观存在，岩体在不同频率的弹性波激励下，其传播速度是不同的。在工程实践中，岩体的声

7、波速度往往高于地震波速度，对于新鲜、完整的均质性较好的岩体，其差异一般为7%~12%；而对于风化、卸荷岩体，其差异要大得多，甚至达到一倍。若分别根据岩体的声波速度和地震波速度评价岩体的完整性、风化程度或围岩类别，将导致不同的评价结果。目录三、现场测试与室内试验研究现场测试与室内试验研究某水电工程坝区出露以玄武岩为主，主要有斜斑玄武岩、隐晶质玄武岩、柱状节理玄武岩、杏仁状玄武岩等，在前期勘察阶段对坝区69个平洞的洞壁进行钻孔声波测试和地震波测试，钻孔声波测试使用主频为25kHz的声