缺陷岩体纵波传播特性分析技术

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外研究现状 4

1.2.1节理非线性变形特性及本构模型 4

1.2.2节理、裂隙及孔隙等岩体缺陷对应力波传播的影响 6

1.2.3含缺陷岩石的声波测试及信号分析 12

1.3本书主要内容 14

第2章 纵波法向穿越弹性非线性变形单节理时的传播特性 17

2.1岩体节理法向单调加载变形本构模型 18

2.1.1以往模型简述及其数学缺陷分析 19

2.1.2统一指数模型概述 22

2.2岩石节理法向变形本构关系的改进 23

2.2.1新模型的建立 23

2.2.2新模型数学性质分析 26

2.2.3试验数据模拟 27

2.3岩体节理法向循环加载本构模型 30

2.3.1以往模型简述 30

2.3.2统一节理法向循环加载本构模型 31

2.3.3模型验证与分析 33

2.3.4试验结果拟合 34

2.4改进的节理弹性非线性模型及动态推广 34

2.5改进模型的节理透射、反射系数近似解析解 37

2.5.1线性位移不连续模型透射、反射系数解析解 37

2.5.2线性位移不连续模型理论解 37

2.5.3改进模型节理透射、反射系数近似解析解 39

2.5.4近似解析计算及参数研究 42

2.6半数值半解析计算 45

2.6.1一维波动方程特征线法与位移不连续模型 45

2.6.2透射波、反射波质点速度数值差分格式 47

2.6.3线性位移不连续模型计算 50

2.6.4非线性位移不连续模型计算及参数研究 51

2.6.5半数值解与近似解析解误差分析 57

2.6.6半数值解与UDEC模拟结果对比分析 60

第3章 纵波法向穿越弹性非线性变形平行多节理的传播特性 64

3.1半数值半解析计算方法 65

3.2计算分析 68

3.2.1线性位移不连续模型计算分析 68

3.2.2非线性位移不连续模型计算 71

3.3不同脉冲传过大间距多节理时的透射特性 85

3.3.1节理条数对透射波形和透射系数的影响 85

3.3.2节理条数对透射波能量的影响 88

3.3.3节理条数对透射波频率组成的影响 89

3.3.4节理条数对透射波时间延迟的影响 90

3.4地震P波传过大间距多节理时的透射特性 92

3.4.1地震P波数据分析 92

3.4.2参数研究 92

3.4.3地震P波传过单节理时的透射特性 94

3.4.4地震P波传过5条节理时的透射特性 94

3.4.5地震P波传过10条节理时的透射特性 95

3.5尾波效应分析 97

3.5.1尾波概念的提出 97

3.5.2尾波效应初探 98

第4章 纵波在双重非线性岩石中传过单节理时的传播规律 100

4.1基于非线性波动方程及其近似位移波解的计算理论 100

4.1.1理论分析 100

4.1.2计算结果与分析 104

4.2基于岩石本构模型及有限差分法的计算理论 109

4.2.1非线性岩石模型 109

4.2.2理论分析 109

4.2.3参数研究和结果分析 113

4.2.4线性岩石与非线性岩石中非线性节理的比较 113

4.2.5节理参数对P波透射特性的影响 114

4.2.6节理位置对透射系数的影响 118

4.2.7岩石非线性系数对透射系数的影响 118

4.2.8频谱分析 119

第5章 纵波传过双重非线性成组节理时的传播规律 122

5.1计算理论 122

5.2计算参数 127

5.2.1节理条数对透射波形的影响 127

5.2.2节理间距对透射波形的影响 129

5.2.3岩石非线性系数对透射波形的影响 131

5.2.4节理间距对透射波能量的影响 131

5.2.5透射波形整体分析 135

5.2.6 P波传过9条小间距成组节理后的透射波 136

第6章 缺陷岩石声学特征及其小波时频分析技术 139

6.1岩芯及钻孔声波测试工作原理和特性 139

6.1.1实验用探头及分析仪工作原理 139

6.1.2激发信号特征 141

6.1.3声波测井及换能器工作原理 142

6.2缺陷岩石材料中声波信号衰减机理 143

6.2.1黏滞吸收机理 144

6.2.2声衰减与频率的关系 145

6.3缺陷岩石声波实验思想 147

6.3.1实验思想 147

6.3.2声波信号的提取 148

6.3.3波谱分析的范围与精度 149

6.4缺陷岩石声波信号处理方法 149

6.4.1 Fourier谱计算 149

6.4.2小波变换理论及分析方法 152

6.5小波变换程序实现和激发信号的小波分析 160

6.6工程应用 162

6.6.1工程背景 162

6.6.2测井岩体及特征 164

6.6.3岩体超声波分级及波谱特征分析 167

6.6.4多参数岩体超声波分级法 172

6.7饱水对缺陷岩石声学特性的影响 175

6.7.1岩样特征和试验方法 175

6.7.2试验结果及分析 178

第7章 岩芯卸荷扰动的声学反应与卸荷敏感岩体 183

7.1岩芯卸荷扰动特征及其影响因素 184

7.1.1岩芯卸荷扰动特征 184

7.1.2岩芯卸荷扰动影响因素 185

7.2岩芯声波信号的波谱及小波分析 190

7.3卸荷敏感岩体的工程对策 194

附录 195

附录A MATLAB单节理处纵波透射的差分计算程序 195

附录B MATLAB快速小波变换计算程序 197

附录C基于非线性波动方程及近似位移波解的P波透射波MATLAB计算程序 200

附录D基于岩石本构模型及有限差分法计算P波透射波的MATLAB计算程序 203

附录E含成组节理的双重非线性岩石介质中P波传播的MATLAB计算程序 212

附录F岩石声波信号小波时频分析MATLAB计算程序 223

参考文献 226