基于同源双波的深地条件下岩体力学参数演变实时成像方法

1.本技术属于深地工程技术领域，涉及深地环境下岩体力学参数演变，尤其涉及基于同源双波的深地条件下岩体力学参数演变实时成像方法。


背景技术：

2.岩体在外部因素影响下，其内部状态会发生改变，并引起反映岩体力学性能的相关参数变化，比如弹性模量和泊松比等变化。由于岩体是天然地质材料，其内部具有非均质性和各向异性，这必然会导致因岩体内部结构状态改变而引起相关参数分布的不同。对于深部地下工程中的岩体，不仅受深部赋存的温度场、应力场、渗流场等耦合影响，还会因为工程建设扰动引起的荷载条件及变形等变化，而导致岩体内部的结构状态发生改变及发生劣化，最终对工程建设和运营的稳定性及安全性造成不利影响。因此，掌握深地岩体在赋存条件及扰动等综合因素影响下的状态特征，并建立不同类型参数之间的相关关系，对研究深地工程岩体的稳定性和制定相关措施，具有重要意义和价值。
3.室内测试岩体内部状态有多种技术手段，诸如工业ct扫描、核磁共振扫描、声发射监测、弹性波测试等等。通过成像方式，把岩体内部相关参数的变化和分布状态直观展示出来，这也当前研究的难题。在岩石内部状态成像方面，目前应用的有ct扫描、核磁共振扫描。ct扫描是基于x射线透射原理进行成像，虽然该方法可以观测到岩石内部的结构状态，但完成一次扫描通常需要2个小时以上，而岩石的单次力学测试过程通常在10分钟左右，显然该方法不能满足实时成像对扫描速率和精度的要求，并且该方法目前还无法实现深地复杂耦合条件下的综合测试。核磁共振扫描是基于被测试的岩石可以用水或油进行饱和，进而对其中的氢原子分布进行测试，并基于此进行岩石内部结构状态成像，该技术不仅要求被测物体中不能有金属矿物，而且仍未能实现深地复杂耦合条件下的综合测试。无论是ct扫描，还是核磁共振扫描，均无法将测试结果建立与相关力学参数的相关性。
4.然而，弹性波波速随岩体状态的改变实时变化，故可以基于室内实时测试，将弹性波的纵波和横波作为搭建反映岩体相关参数的纽带，实现对岩体相关状态的实时成像，但在室内试验测试及分析方面仍存在诸多问题：(1)对岩石状态的分析仅仅是基于压缩波，未能有效考虑融合剪切波测试；(2)未用实现用同源激发获得不同类型波的同步信号；(3)未能实现对岩体力学参数演变过程的成像；(4)分析测试条件未能考虑深地复杂耦合因素；(5)展示的结果不直观，无法体现真实分布和变化状态。


技术实现要素：

5.本发明目的旨在针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种基于同源双波的深地条件下岩体力学参数演变实时成像方法，实现对岩体力学参数演变过程的实时成像。
6.为达到上述目的，本发明采取以下方法方案来实现。
7.本发明提供的基于同源双波的深地条件下岩体力学参数演变实时成像方法，其包括以下步骤：
8.s1在给定深地条件下，由安装于测试岩体上的激发传感器发送激发信号，然后由安装于测试岩体上的接收传感器接收信号；安装于测试岩体上的激发传感器数量为两个以上，安装于测试岩体上的接收传感器数量为两个以上，所述接收传感器类型包括纵波(p波)传感器和横波(s波)传感器，不同类型的接收传感器交错布置，相邻的纵波接收传感器和横波接收传感器组成一个接收传感器组；
9.s2针对任一激发传感器，获取每组接收传感器中纵波接收传感器接收的纵波波速v
p
，以及横波接收传感器接收的横波波速vs；
10.s3针对每组接收传感器，按照以下公式，依据纵向波速和横波波速计算得到每组接收传感器相应的力学参数：
[0011][0012][0013][0014][0015][0016]
式中：v
p
为纵波传播速度(m/s)；vs为横波传播速度(m/s)；ed为动弹性模量(mpa)；gd为动刚性模量或动剪切模量(mpa)；λd为动拉梅系数(mpa)；kd为动体积模量(mpa)；μd为动泊松比；ρ为岩石密度(g/cm3)；
[0017]
并将其作为测试岩体上激发传感器到该组接收传感器之间力学参数分布；
[0018]
s4重复步骤s2-s3，得到测试岩体上所有激发传感器到每组接收传感器之间力学参数分布；
[0019]
s5改变深地条件，重复步骤s1-s4可以得到不同深地状态对应的岩体力学参数图像，并可根据深地状态变化过程得到对应的岩体力学参数实时变化图像。
[0020]
上述步骤s1中，深地条件为测试岩体所处的温度场、应力场(即压强环境)、渗流场、荷载等，可以通过模拟深地环境的三轴压力室来实现(参见cn202011431049.4)。
[0021]
激发传感器和接收传感器安装方式包括以下方式中的至少一种：
[0022]
(1)激发传感器安装于深地环境模拟舱内测试岩体荷载加载端的一端，可以设置于测试岩体一端设置的加载垫块内；在优选实现方式中，各激发传感器可以沿加载垫块径向或/和周向均匀排布；当在测试岩体上设置有渗流通道时，可以将激发传感器与渗流通道错位设置；接收传感器安装于测试岩体荷载加载端的相对端；可以设置于岩体样品另一端设置的加载垫块内；在优选实现方式中，各接收传感器可以沿加载垫块径向或/和周向均匀排布；当在测试岩体上设置有渗流通道时，可以将接收传感器与渗流通道错位设置；激发传感器和接收传感器数量可以相同或不同。
[0023]
(2)激发传感器和接收传感器分别沿测试岩体轴向均匀排布；沿测试岩体轴向分布的激发传感器与接收传感器数量相同或不同。
[0024]
上述步骤s2中，纵波波速v
p
按照以下公式计算得到：
[0025]vp
＝l
p
/
△
t
p
[0026]
式中，l
p
为激发传感器到纵波接收传感器连线通过的测试岩体的距离，
△
t
p
为纵波接收传感器接收的对应纵波通过测试岩体的时间；
[0027]
横波波速vs按照以下公式计算得到：
[0028]vs
＝ls/
△
ts[0029]
式中，ls为激发传感器到横波接收传感器连线通过的测试岩体的距离，
△
ts为横波接收传感器接收的对应横波通过测试岩体的时间；
[0030]
上述
△
t
p
可以通过以下公式计算得到：
[0031]
△
t
p
＝t
1p-t
0-t
2p
[0032]
式中，t
1p
为纵波传感器接收纵波时间(即纵波到达时刻)，t0为激发传感器发送时间(即纵波起始时刻)。t
2p
为纵波接收传感器接收到的纵波通过加载块或非岩体内部传播所消耗的时间；如果激发传感器和接收传感器均设置在垫块中，则为通过激发和接收两端垫块的总时间；如果激发传感器设置在加载垫块中，接收传感器直接设置在样品上，则该时间t
2p
为接收到的波通过激发端垫块的耗时，反之则为通过接收端垫块的耗时；如果激发传感器和接收传感器均设置在测试岩体侧面并与岩体直接接触，则t
2p
＝0。
[0033]
上述
△
ts可以通过以下公式计算得到：
[0034]
△
ts＝t
1s-t
0-t
2s
[0035]
式中，t
1s
为横波传感器接收横波时间(即横波到达时刻)，t0为激发传感器发送时间(即横波起始时刻)。t
2s
为横波接收传感器接收到的横波通过加载块或非岩体内部传播所消耗的时间；如果激发传感器和接收传感器均设置在垫块中，则为通过激发和接收两端垫块的总时间；如果激发传感器设置在加载垫块中，接收传感器直接设置在样品上，则该时间t
2s
为接收到的波通过激发端垫块的耗时，反之则为通过接收端垫块的耗时；如果激发传感器和接收传感器均设置在测试岩体侧面并与岩体直接接触，则t
2s
＝0。
[0036]
上述t
2p
和t
2s
可以通过单独对加载垫块或非岩体部分测试得到。激发传感器向单独加载垫块发生激发信号，再由接收传感器接收，进而利用信号接收时刻和信号激发时刻的差值计算得到。再例如，在激发传感器或接受传感器连线之间除了测试岩体外，还可能垫有一定厚度的其他物质，则对应声波透过其他物质的耗时也可以通过将激发传感器和接收传感器直接安装在对应厚度的该物质上测试得到。
[0037]
上述步骤s3中，以得到的力学参数表征测试岩体上相应激发传感器到该组接收传感器之间的力学参数分布情况，即以计算得到的力学参数表征测试岩体上相应激发传感器到该组两个接收传感器连线之间区域的力学参数分布情况。
[0038]
通过上述步骤s4，可以得到在给定深地条件下，测试岩体上所有激发传感器到每组接收传感器之间的力学参数分布情况，进而确定测试岩体的整体力学参数分布情况。当各激发传感器到各组接收传感器的连线存在交织点时，以该交织点构成测试岩体的一个微小单元，以该位置计算到的最小力学参数作为该微小单元对应的力学参数。
[0039]
上述步骤s5中，改变深地条件(包括温度场、应力场、渗流场或/和荷载)，重复上述步骤s1-s4可以得到不同深地条件下测试岩体的整体力学参数分布情况，进而基于不同深地条件下的测试岩体整体力学参数分布情况可以得到测试岩体力学参数演变图像。
[0040]
本发明提供的基于同源双波的深地条件下岩体力学参数演变实时成像方法，具有以下
[0041]
有益效果：
[0042]
(1)本发明由安装于测试岩体上的激发传感器发送激发信号，利用相邻的纵波接收传感器和横波接收传感器组成一个接收传感器组，从而实现同源双波接收，再基于接收的纵波和横波信号的起止时刻确定纵波和横波波速，进而依据波速计算得到力学参数；通过布置在不同位置的激发传感器和接收传感器，可以获得测试岩体的整体力学参数分布；进一步通过改变深地条件，可以获得测试岩体的力学参数演变图像，为深地条件下岩体力学性能分析提供有效数据支持；
[0043]
(2)本发明由于不同类型的接收传感器接收的是统一激发传感器发送的激发信号，因此能够实现不同接收传感器的同步测试，从而确保接收信号的真实性；
[0044]
(3)本发明得到的力学参数演变图像直观，能够发反映实际分布与变化状态；
[0045]
(4)本发明建立的与岩体其他力学或影响条件的相关关系简单、快捷，结果真实可靠。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0047]
图1为基于同源双波的深地条件下岩体力学参数演变实时成像方法流程示意图。
[0048]
图2为提供的第一种测试岩体上激发传感器与接收传感器排布示意图；其中(a)为主视角度的剖面图，(b)为俯视角度的剖面图；(c)为多个激发传感器发送和多个接收传感器接收示意图。
[0049]
图3为提供的第二种测试岩体上激发传感器和接收传感器排布示意图；其中(a)为主视角度的剖面图，(b)为俯视角度的剖面图；(c)为单个激发传感器发送和多个接收传感器接收示意图。
[0050]
图4为提供的第三种测试岩体上激发传感器和接收传感器排布示意图。
[0051]
图5为纵波接收传感器接收的对应纵波通过测试岩体的时间确定方式。
[0052]
图6为纵波接收传感器接收的对应纵波通过测试岩体的时间确定方式。
[0053]
图7为动弹模量ed的实时演化示意图；其中，rc表示抗压强度/或最大承载能力。
具体实施方式
[0054]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0055]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通
技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
本发明是基于在测试岩体上布置两个以上的激发传感器和两个以上的接收传感器来实现的。激发传感器的波类型为纵波(即压缩波)。接收传感器的波类型包括纵波(p波)和横波(s波)，不同类型的接收传感器交错布置，纵波接收传感器和横波接收传感器组成接收传感器组。激发传感器和接收传感器均采用的是超声波传感器。
[0057]
测试岩体a-9上下两端分别通过上部加载垫块a-3和下部加载垫块a-4安装于三轴压力室内(参见cn202011431049.4)。上部加载垫块a-3和下部加载垫块a-4为u型结构，开口端设有加载垫块盖板a-2，两者之间通过连接螺栓a-1连接。上部加载垫块a-3和下部加载垫块a-4中间位置分别开设并安装有第一渗流通道a-7和第二渗流通道a-8。
[0058]
激发传感器和接收传感器安装方式包括以下方式中的至少一种：
[0059]
(1)激发传感器安装于深地环境模拟舱内测试岩体荷载加载端的一端，可以设置于测试岩体一端设置的加载垫块内；在具体实现方式中：各激发传感器可以沿加载垫块径向或/和周向均匀排布；当在测试岩体上设置有渗流通道时，可以将激发传感器与渗流通道错位设置；
[0060]
接收传感器安装于测试岩体荷载加载端的相对端；可以设置于岩体样品另一端设置的加载垫块内；在具体实现方式中：各接收传感器可以沿加载垫块径向或/和周向均匀排布；当在测试岩体上设置有渗流通道时，可以将接收传感器与渗流通道错位设置；不同类型接收传感器，其位置可以是逐个交错的，目的是便于使用同源双波(即纵波和横波)对深地条件下岩体状态进行实时成像；这是由于岩石毕竟不是理想的均质体，一定存在各向异性，故用交替安装的纵波和横波接收传感器，可以保障测试结果更加符合实际。
[0061]
激发传感器和接收传感器数量可以相同或不同。
[0062]
(2)激发传感器和接收传感器分别沿测试岩体轴向均匀排布；沿测试岩体轴向分布的激发传感器与接收传感器数量相同或不同。不同类型接收传感器，其位置可以是逐个交错的，目的是便于使用同源双波(即纵波和横波)对深地条件下岩体状态进行实时成像，是由于岩石毕竟不是理想的均质体，一定存在各向异性，故用交替安装的纵波和横波接收传感器，可以保障测试结果更加符合实际。
[0063]
图2-图4列举了多种激发传感器和接收传感器布置方式。
[0064]
例1，图2提供了针对圆柱形测试岩体，荷载加载端和相对端分别设置激发传感器和接收传感器的例子。激发传感器数量为4，接收传感器数量为4个。4个激发传感器a-5安装于上部加载垫块u型结构底部，且4个激发传感器a-5沿上部加载垫块周向均匀排布；4个接收传感器a-6沿下部加载垫块径向排布安装于下部加载垫块u型结构底部，且4个接收传感器a-6沿下部加载垫块周向均匀排布；不同类型接收传感器，其位置逐个交错设置。
[0065]
例2，图3提供了针对圆柱形测试岩体，荷载加载端和相对端以及沿测试岩体垂向分别设置激发传感器和接收传感器的例子。激发传感器数量为13个(a-5，a-10)，接收传感器数量为13个(a-6，a11)。4个激发传感器a-5安装于上部加载垫块u型结构底部，且4个激发传感器a-5沿上部加载垫块周向均匀排布；4个接收传感器a-6沿下部加载垫块径向排布安装于下部加载垫块u型结构底部，且4个接收传感器a-6沿下部加载垫块周向均匀排布。另外9个激发传感器a-10和9个接收传感器a11沿测试岩体轴向均匀分布，且激发传感器a-10与
接收传感器a11位置一一对应。不同类型接收传感器，其位置逐个交错设置。
[0066]
例3，图4提供了针对圆柱形测试岩体，沿测试岩体垂向分别设置激发传感器和接收传感器的例子。激发传感器数量为9个(a-10)；接收传感器数量为27个(a-11)，27个接收传感器分为三列，每列9个接收传感器。9个激发传感器a-10沿测试岩体轴向均匀分布，三列接收传感器均沿测试岩体轴向均匀分布，且激发传感器组与三列接收传感器沿测试岩体周向均匀分布。不同类型接收传感器，其位置逐个交错设置。
[0067]
除了上述圆柱形测试岩体外，本发明还可以针对其他形状的测试岩体，例如截面为三角形、正方形、正多边形等柱形结构测试岩体。
[0068]
对于测试岩体上下两端安装的激发传感器和接收传感器，使用时，激发传感器是分别激发，比如第一个激发后，接收端安装的不同类型的接收传感器开始同步接收到达信号；然后第二个激发传感器激发，接收端端所有的传感器仍同步接收；依次类推，激发端所有信号逐个完成激发。
[0069]
对于测试岩体表面沿轴向安装的激发传感器和接收传感器，使用时，当一个激发传感器发出激发信号时，安装在同一个面上的激发传感器不接收该激发传感器发出的信号(比如图4，安装在加载垫块内的激发传感器，若一个激发传感器a-5激发，由于其他几个激发传感器a-5和当前发出激发信号的在一个平面上，故不用做接收传感器使用。但是，安装在侧面的作为激发用的传感器a-10，则可以作为接收信号的接收传感器使用，比如图4中安装在岩石侧面的激发传感器；同理，图4中安装在侧面的多个激发传感器a-10，当其中一个激发时，其余的不用做接收传感器，相反，此时安装在加载垫块内的激发传感器a-5，则可以用作接收传感器，上述测试方法是非平透法监测)。另外一种实现方式中，每次采集时，除了当前激发传感器用于激发而不能同时用作采集外(也就是不能自己激发又同时自己接收)，而可以把其他安装在与当前激发传感器在一个面上的激发传感器作为接收传感器使用，这种测试方法是平透法监测。上述这样做的目的，是为了保证获得更好的监测信息和成像结果更加符合实际，并且可以提高成像的效果和精度。
[0070]
通过上述分析，可以知道，因为纵横向均布置有多个激发和接收传感器，因此每个激发传感器均可以与其他传感器进行点对点的直接连线，这些点对点连接的直线段可以构成密密麻麻的交织网格(如图2(c)和图3(c)所示)，这些交织网络无论是在垂直于试件轴线的水平方向，还是在平行于试件轴线的竖直方向，任意切片，均可以构成平面，这些无限个水平方向和竖直方向交错的平面叠加在一起即可以构成三维试件。因此，对于每一个交织点均可看作是构成试件的一个微小单元，并可以把每个微小单元对应的材料参数当成是相同的，所以只要知道每个交织点(或微小单元)的力学状态，就可以用图像的形式展示出整个试件的力学参数分布，也就是成像。
[0071]
实施例1
[0072]
本实施例提供的基于同源双波的深地条件下岩体力学参数演变实时成像方法，如图1所示，其包括以下步骤：
[0073]
s1在给定深地条件下，由安装于测试岩体上的激发传感器发送激发信号，然后由安装于测试岩体上的接收传感器接收信号。
[0074]
激发传感器和接收传感器布置如前所述。
[0075]
s2针对任一激发传感器，获取每组接收传感器中纵波接收传感器接收的纵波波速vp
，以及横波接收传感器接收的横波波速vs。
[0076]
根据激发传感器和接收传感器的布置方式，可以获得每个接收传感器记录得到的波形(纵波vp或横波vs)以及激发起始时间t0(vp或vs)和该波对应的到达时间t
1p
(vp)或t
1s
(vs)，见图5和图6所示。
[0077]
根据激发传感器和接收传感器的布置方式，还可以确定各个激发传感器与各个接收传感器连线通过试件的距离(l
p
或ls)，以及对应接收传感器接收到的对应波通过加载垫块或非岩体内部传播所消耗的时间t
2p
(vp)或t
2s
(vs)(单独测试得到)。当激发传感器和接收传感器均设置在测试岩体侧面并与岩体直接接触时，则t
2p
＝0、t
2s
＝0。
[0078]
则，纵波波速v
p
按照以下公式计算得到：
[0079]vp
＝l
p
/
△
t
p
[0080]
式中，l
p
为激发传感器到纵波接收传感器连线通过的测试岩体的距离，
△
t
p
为纵波接收传感器接收的对应纵波通过测试岩体的时间。
[0081]
上述
△
t
p
可以通过以下公式计算得到：
[0082]
△
t
p
＝t
1p-t
0-t
2p
[0083]
式中，t
1p
为纵波传感器接收纵波时间(即纵波到达时刻)，t0为激发传感器发送时间(即纵波起始时刻)，t
2p
为纵波接收传感器接收到的对应纵波通过加载垫块或非岩体内部传播所消耗的时间，如果激发传感器和接收传感器均设置在测试岩体侧面并与岩体直接接触时，则t
2p
＝0。
[0084]
横波波速vs按照以下公式计算得到：
[0085]vs
＝ls/
△
ts[0086]
式中，ls为激发传感器到横波接收传感器连线通过的测试岩体的距离，
△
ts为横波接收传感器接收的对应横波通过测试岩体的时间；
[0087]
上述
△
ts可以通过以下公式计算得到：
[0088]
△
ts＝t
1s-t
0-t
2s
[0089]
式中，t
1s
为横波传感器接收横波时间(即横波到达时刻)，t0为激发传感器发送时间(即横波起始时刻)，t
2s
为横波接收传感器接收到的对应横波通过加载块或非岩体内部传播所消耗的时间，如果激发传感器和接收传感器均设置在测试岩体侧面并与岩体直接接触时，则t
2s
＝0。
[0090]
岩体性能如何，关键取决于岩体在对应温度、渗流、应力及荷载等多种条件综合影响下的力学参数，上述多种综合条件变化会导致岩体各项力学参数改变，即便是同一块岩石内部，因为上述某项条件的差异，也会导致对应部位的力学参数不完全相同。由前述“成像原理”部分描述，可知某部位力学参数变化说明了对应的波速会改变，因此可以用波速改变作为变化量，实现对力学参数变化的计算，并据此绘制出力学参数变化的图像，具体操作见步骤s3-s5。
[0091]
s3针对每组接收传感器，按照以下公式，计算得到每组接收传感器相应的力学参数：
[0092]
[0093][0094][0095][0096][0097]
式中：v
p
为纵波传播速度(m/s)；vs为横波传播速度(m/s)；ed为动弹性模量(mpa)；gd为动刚性模量或动剪切模量(mpa)；λd为动拉梅系数(mpa)；kd为动体积模量(mpa)；μd为动泊松比；ρ为岩石密度(g/cm3)；
[0098]
并将其作为测试岩体上激发传感器到该组接收传感器之间力学参数分布。
[0099]
以得到的力学参数表征测试岩体上相应激发传感器到该组接收传感器之间的力学参数分布情况，即以计算得到的力学参数表征测试岩体上相应激发传感器到该组两个接收传感器连线之间区域的力学参数分布情况。
[0100]
s4重复步骤s2-s3，得到测试岩体上所有激发传感器到每组接收传感器之间力学参数分布。
[0101]
通过该步骤，可以得到在给定深地条件下，测试岩体上所有激发传感器到每组接收传感器的力学参数分布情况，进而确定测试岩体的整体力学参数分布情况。当各激发传感器到接收传感器的连线存在交织点时，以该交织点构成测试岩体的一个微小单元，以该位置计算到的最小力学参数作为该微小单元对应的力学参数。
[0102]
s5改变深地条件，重复步骤s1-s4可以得到岩体力学参数演变图像。
[0103]
本步骤中，改变深地条件(包括温度场、应力场、渗流场或/和荷载)，重复上述步骤s1-s4可以得到不同深地条件下测试岩体的整体力学参数分布情况，进而基于不同深地条件下的测试岩体整体力学参数分布情况可以得到测试岩体力学参数演变图像。
[0104]
图7提供了基于图3给出的激发传感器和接收传感器排布下(其中p波接收传感器和s波接收传感器交替安装)得到的动弹性模量ed的实时演化示意图。从图中可以清楚的看出随着荷载加载变化，测试岩体不同位置的动弹性模量ed的变化情况，这将为不同深地条件下岩石受力和变形对应的力学参数变化分析提供有效数据支持。
[0105]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。