基于子波波形变化规律的岩体软弱夹层弹性模量测试方法

　　本发明涉及岩体软弱夹层弹性模量测试技术，基于不同频率的子波在软弱夹层传播过程中的波形变化规律，提出了软弱夹层弹性模量的测试方法。本发明包含6个步骤，分别为：（1）测试软弱夹层两侧岩体的物理力学参数；（2）测试和计算软弱夹层两侧岩体的黏性系数；（3）测试软弱夹层的弹性模量和黏性系数；（4）建立应力波在软弱夹层的传播模型；（5）根据透射侧记录的波形计计算入射侧的波形；（6）计算软弱夹层的弹性模量和黏性系数。本发明具有操作简单，测试结果综合反映了软弱夹层对应力波振幅谱和相位谱的影响特性。

　　一种基于子波波形变化规律的岩体软弱夹层弹性模量测试方法，包括以下步骤： 第一步，测试软弱夹层两侧岩体的物理力学参数：

　　采用钻孔弹性模量仪测试软弱夹层两侧岩体的弹性模量，采用现有常规方法测试软弱 夹层及其两侧岩体的密度、泊松比；

　　第二步，测试和计算软弱夹层两侧岩体的黏性系数：

　　对于软弱夹层两侧岩性变化较大时，需在软弱夹层两侧分别选择表面平整的区域为测 试区域；如果软弱夹层两侧岩性变化较小时，即认为两侧岩体力学参数相同，只需在其中一 侧选择测试区域；在测试区域内布置1条直线测线，测线长度为1 .5—4 .5m，在测线上选定施 加冲击载荷的振源点，在测线上选定2—4个测点；测点编号的原则是：以振源点为中心，由 近及远从1开始依次编号，第1个与振源点最近的测点与振源点的距离为0 .3—1 .0m；用石膏 粉将加速度传感器粘结在测点上，在振源点施加一个冲击载荷，采用振动信号采集仪记录 传感器的振动波形；计算软弱夹层两侧岩体黏性系数的过程是：（1）对第m个传感器记录的P 波波形进行傅里叶变换得到其振幅谱，m>1，采用关系式1计算振幅谱曲线与频率坐标轴所 围成的面积SPm；（2）对第1个传感器记录的P波波形进行傅里叶变换得到其振幅谱，给定岩体 黏性系数的初始值，初始值为0 .05—0 .2MPa .s，结合第一步测试得到的弹性模量、密度和泊 松比，对振幅谱按照关系式2计算得到第m个测点的计算振幅谱，采用关系式1计算得到第m 个测点的计算振幅谱与频率坐标轴所围成的面积SPjm；（3）不断增加岩体的黏性系数，计算 SPjm与SPm的差值的绝对值，绘制绝对值与黏性系数的关系曲线，在曲线上找出绝对值的最小 值，最小值对应的黏性系数就是岩体的黏性系数；

　　第三步，测试软弱夹层的弹性模量和黏性系数：

　　沿待测试软弱夹层走向，选择能够反映软弱夹层力学特性的试验区段，试验区段要求 表面相对平整；布置1条穿过软弱夹层的测线，测线长度为1 .0-3 .0m，测线与软弱夹层走向 的夹角为80°—90°；沿测线在软弱夹层两侧分别选择1—3个测点，测点编号的原则是：以振 源点为中心，由近及远依次编号，第一个测点与冲击载荷振源点的距离为0 .3—0 .6m；用石 膏粉将二分量加速度传感器粘结在测点上，一个分量沿软弱夹层走向布置，另一个分量垂 直软弱夹层走向布置；施加冲击载荷的一侧称为入射侧，另一侧称为透射侧，振源点与软弱夹层的距离为0 .5—1 .0m，在入射侧施加冲击载荷产生应力波，采用振动信号采集仪记录测 点的振动信号； 第四步，建立应力波在软弱夹层的传播模型： 将软弱夹层及其两侧岩体考虑为黏弹性体，建立应力波在软弱夹层的传播模型；P波入 射至软弱夹层时，分别采用关系式3计算应力波的透射系数和关系式4计算应力波的反射系 数；SV波入射软弱夹层时，分别采用关系式5计算应力波的透射系数和关系式6计算应力波 的反射系数；

　　第五步，计算入射侧的波形：

　　依据实测透射波波形计算入射侧的波形，包含以下5个小步骤：（1）对实测透射波波形 进行傅里叶变换，得到实测透射波波形的频谱——包括振幅谱和相位谱；（2）对实测透射波 的频谱除以透射系数，得到计算入射波的频谱；（3）对计算入射波的频谱进行傅里叶逆变 换，得到计算入射波波形；（4）对计算入射波的频谱乘以反射系数并进行傅里叶逆变换，得 到计算反射波波形；（5）叠加计算入射波和计算反射波的波形，得到入射侧的计算波形； 第六步，计算软弱夹层的弹性模量和黏性系数： 依据入射侧的计算波形和实测波形的差异确定软弱夹层的弹性模量和黏性系数，包含 以下3个小步骤：（1）给定软弱夹层的弹性模量和黏性系数的初始值，弹性模量初始值为0 .1 ～0 .5GPa，黏性系数的初始值为0 .1～0 .5MPa .s，按照第五步的计算过程得到入射侧P波的 计算波形，采用波形变化系数量化入射侧计算P波波形和实测P波波形的差异，得到两者的 差异值ζP，称波形差异值为波形变化系数，波形变化系数的计算公式见关系式7；（2）给定与 本步骤中第（1）小步骤相同的弹性模量和黏性系数，并采用相同的方法计算得到入射侧计 算SV波和实测SV波的波形变化系数ζSV；（3）求ζP和ζSV的和ζ，分别改变软弱夹层的弹性模量 和黏性系数，重新计算ζ，找出最小ζ值，最小ζ值对应的弹性模量和黏性系数就是测试得到 的软弱夹层的弹性模量和黏性系数；

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