饱和多孔岩石应力波的衰减特性

冲击作用下节理岩体应力波波速衰减规律研究
潘珍颖;刘军;甄梦阳
【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2022(40)2
【摘要】为探究冲击荷载下节理岩体中应力波波速衰减规律,用水泥砂浆梁状结构模拟岩体,填充黏土层模拟软弱薄夹层,采用自行设计的摆锤冲击装置作为动力源进行冲击加载试验.研究了节理存在与否、节理数量和厚度对冲击荷载下节理岩体应力波衰减规律的影响,并利用特征线法和位移不连续模型推导节理面对应力波衰减的影响.结果表明:随着距离增大,振动衰减速度减慢,呈现出近端衰减快,远端衰减慢的规律;梁状结构表面的振动响应与节理厚度、数量呈负相关;节理引起的振动响应差异随节理数量的增加逐渐降低;理论的峰值和变化规律与试验结果吻合.通过分析节理对应力波波速衰减规律的影响,为日后实际工程作业中减小对周边建筑物的安全风险提供一定的参考.
【总页数】8页(P208-215)
【作者】潘珍颖;刘军;甄梦阳
【作者单位】河海大学土木与交通学院;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O347.4
【相关文献】
1.节理岩体中爆炸应力波传播规律的研究
2.爆炸应力波在层状节理岩体中的传播规律试验研究
3.节理充填岩体爆炸应力波传播规律模型试验与应用研究
4.应力波在一维节理岩体中传播规律的试验研究与数值模拟
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第六章岩石物理模型•弹性波的传播理论是在单一均匀介质建立的，对于有孔隙的多孔介质（或岩石）是否合适。

•岩石并非是单一均匀介质，需考虑两个问题：1）岩石的均匀性；2）岩石的多孔性和流体。

•人们仍希望用建立一些相应的理论模型用来模拟多孔岩石的一些特殊的物理属性及一些参数性质。

•应怎样发展相应的理论。

•这些理论是否符合实际状况，在什么条件下是适合的。

1岩石是混合均匀体•严格来说，岩石是一类不均匀的物体，因为岩石内部存在着不同的矿物、孔隙和流体等。

•从探测手段来看可以把岩石作为一个均质体。

•这种均质体是多组份的混合均质体(多相体)，可以是各向同性，也可能是各向异性。

•孔隙和流体是其中的一小部分。

•能否通过一些已知的参数来获取其它的参数，从而了解组成岩石本身的性质。

显然，这个问题在实际应用中有重要的意义。

2岩石物理（弹性）模型•岩石物理模型－就是把构成岩石一些特性参数（如孔隙度、密度、泥质含量等）和环境（储层）参数与岩石的弹性参数建立函数关系，总称为岩石物理模型。

•与弹性参数建立函数关系可称弹性模型，同样也可有电性模型。

•依据模型来源不同可分三种类型：理论和实验（经验）和试探（探索）。

•对于这些模型的应用都需记住：“所有的模型都是错的·······有一些是有用的”。

3有效介质模型•能否把多孔饱和复杂的均质体与单一均匀介质理论相联系，关健是能否建立有（等）效的岩石物理模型。

简称有效介质模型（Effective-medium models)•通过有效介质模型，就能更好地描述复杂介质的性质，获得一种“等效”的理论。

•描述的主要弹性参数称为“等效弹性模量”。

•有效介质模型－－就是在均匀条件假设下，怎样“等效地”把“多孔”饱和岩石的特性(孔隙率、密度、流体等)与其的弹性参数（速度和弹性模量）联系起来。

•原则上，所有的岩石物理模型都为有效介质模型。

饱和多孔岩石的衰减与孔隙率和饱和度的关系
饱和多孔岩石是指满足孔隙物质充满规定的液体而形成的岩石。

饱和多孔岩石是构成
油气田的有机物储集的重要组成部分，它的孔隙率和饱和度对油气藏的储集性能有着至关
重要的影响。

因此，研究饱和多孔岩石的衰减与孔隙率和饱和度的关系具有重要的理论意
义和实际意义。

衰减是指随着物质施加于岩石内部的物理、化学及动力因素，对油气藏属性产生影响。

饱和多孔岩石的衰减是由孔隙率和饱和度等因素引起的，孔隙率指的是岩石内部的空气孔
容积占岩石总体积的比例，饱和度指的是岩石内的孔隙部分填充的液体占岩石总体积的比例，它们均是影响岩石衰减的关键因素。

孔隙率对岩石衰减影响较大，孔隙率越高，衰减程度越大；饱和度越高，衰减程度越小。

另外，岩石内孔隙部分的液体性质不同，也会影响岩石的衰减程度，一般来说，液体
粘度偏大的液体，能够减弱岩石衰减程度，反之衰减程度较大。

综上所述，饱和多孔岩石的衰减与孔隙率、饱和度及渗透率存在非常密切的联系，孔
隙率越高，饱和度越低且液体粘度越大、渗透率越低，岩石衰减程度越小；饱和度越高，
孔隙率越低且液体粘度越小、渗透率越大，岩石衰减程度越大。

因此，在研究油气藏的储
层性质时，要综合研究这三者之间的关系，以便更好地发掘油气储量。

岩石中爆炸应力波衰减规律
朱小明;宋宏伟;刘辉
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2007(033)031
【摘要】总结了岩石中爆炸应力波衰减规律,指出柱状药包和球状药包的爆炸应力波衰减存在区别,为更加符合实际需要考虑岩石的粘性,为工程爆破理论的分析、计算和设计提供了理论基础.
【总页数】2页(P112-113)
【作者】朱小明;宋宏伟;刘辉
【作者单位】中国矿业大学建筑工程学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学建筑工程学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学建筑工程学院,江苏,徐州,221008
【正文语种】中文
【中图分类】TU452
【相关文献】
1.运用量纲分析探究爆炸应力波在中远区岩石中的衰减规律 [J], 赵东寅
2.煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验研究 [J], 褚怀保;杨小林;侯爱军;余永强;梁为民
3.水饱和岩石中爆炸应力波传播的数值模拟 [J], 周钟;王肖钧;赵凯;刘飞
4.爆炸应力波在各向同性损伤岩石中的衰减规律研究 [J], 崔新壮;李卫民;段祝平;陈士海
5.岩石结构中的爆炸应力波对乳化炸药性能的影响 [J], 郑卫东;吴均;潘伟纲;吴丽君;毛香琴
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波速和衰减对岩石力学参数和岩体结构变化的敏感性研究王观石;程渭民;胡世丽【摘要】地震波在不同的岩石和岩体结构传播时具有不同的波速,采用Kelvin-Voigt体为粘弹性介质模型,研究均匀粘弹性体中波速和衰减对介质的力学参数变化的敏感性,通过试验,研究了波速和衰减对结构面刚度变化的敏感性.结果表明,衰减比波速对岩石力学参数和结构面刚度的变化更敏感,因此衰减系数更适合作为波动探测的表征量.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2010(026)004【总页数】4页(P36-39)【关键词】地震波探测;衰减系数;波速;粘弹性体;岩体结构【作者】王观石;程渭民;胡世丽【作者单位】江西理工大学;江西理工大学;江西理工大学【正文语种】中文【中图分类】TD311在地震层析成像方法中发展最快且研究程度最深的是波速层析成像方法,岩石的弹性常数 (弹性模量、泊松比和密度)与波速之间在理论上存在定量关系,波速主要取决于构成岩石物质的物理性质[1]。

软弱岩体、破碎带和断层都可能成为岩体结构上潜在的缺陷,岩体的这些部位常有较低的波速响应,因此,波速层析成像方法可以用来获得岩体结构信息,缺陷越大,依据波速成像效果越好。

地震波在岩体的传播过程中,受到岩石的粘性作用、波阵面的扩展、地震波在结构面的反射、折射等引起震动幅值的衰减,因此衰减也能反映岩石的力学参数和岩体结构。

文献[2～4]引入复模量及复波速等概念,研究了粘弹性体的波速及衰减问题。

苑春方[5]运用脉冲叠加原理讨论了地震波在 Kelvin-Voigt均匀黏弹性介质中的传播速度和衰减,推导出了地震波的衰减系数和传播速度与介质的密度、弹性模量及粘性系数之间的精确关系。

文献[6～9]用节理刚度来描述结构面,研究了地震波在结构面的传播过程,得到了单结构面透、反射系数,并解释了结构面的低通滤波特性,在此基础上,还研究了一组平行结构面的透射系数及结构面非线性变形引起的波动现象。

笔者采用 Kelvin-Voigt体为粘弹性介质模型,研究均匀粘弹性体中波速和衰减对介质的力学参数变化的敏感性,通过试验研究了波速和衰减对结构面刚度变化的敏感性。

第27卷 第1期岩石力学与工程学报 V ol.27 No.12008年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2008收稿日期：2007–05–08；修回日期：2007–07–28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(40474065)作者简介：李 廷(1973–)，男，博士，1995年毕业于河北建筑科技学院矿井建设专业，现为博士后、高级工程师，主要从事岩土工程和孔隙介质波动理论方面的研究工作。

E-mail ：litingearl@饱和岩石对平均应力和动载应力振幅的响应李 廷，杜 赟，宛新林，席道瑛(中国科学技术大学 地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026)摘要：在单轴循环加载实验中不断改变平均应力和正弦波应力振幅的实验条件下，研究饱和砂岩和大理岩的动态响应。

研究结果表明，随平均应力增大，弹性模量增大，泊松比先增大后减小，滞回圈面积减小，衰减量减小。

平均应力和动载应力振幅同时改变时，对动态响应影响最大；其次是平均应力不变而只改变正弦波应力振幅时，对应变、弹性模量、泊松比和衰减量的影响都很大，比改变平均应力对饱和岩石的动态响应显著得多。

对环境介质的腐蚀作用进行探讨。

由于水的应力腐蚀作用，饱水砂岩比饱油砂岩的衰减量增长1倍，动态响应很明显。

由于大理岩结构致密，孔隙度仅有1%左右，导致砂岩的应力腐蚀作用明显大于大理岩。

该研究成果对地震和地质灾害的防治是很有意义的。

关键词：岩石力学；饱和岩石；平均应力；正弦波应力振幅；应力腐蚀中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)01–0161–08RESPONSES OF SATURATED ROCKS TO MEAN STRESS AND DYNAMICSTRESS AMPLITUDELI Ting ，DU Yun ，WAN Xinlin ，XI Daoying(School of Earth and Space Sciences ，University of Science and Technology of China ，Hefei ，Anhui 230026，China )Abstract ：By shifting the mean stress and the sine wave stress amplitude ，uniaxial cyclic experiments were performed to study the dynamic response of fluid-saturated sandstones and marbles. The experimental results show that the modulus increases as the mean stress increases. As the mean stress increases ，the Poisson ′s ratio increases at first ，and then decreases. The area of hysteresis loop decreases ，and the attenuation decreases too. When shifting both the mean stress and the dynamic stress amplitude ，the influence on dynamic response is the most intensive. The influence on dynamic response by shifting only the dynamic stress amplitude and remaining the mean stress unchanged is also very intensive. The influence on dynamic response by shifting only the mean stress is not much intensive. Stress corrosion on surrounding media has been discussed. Because of the stress corrosion of water ，the attenuation of water-saturated sandstones is twice as that of oil-saturated sandstones ；and the dynamic response of water-saturated sandstones is clearer than that of oil-saturated sandstones. Because marbles are more compacted than sandstones and the porosity is only about 1%，the stress corrosion is more serious in sandstones than that in marble. This research is very significant to the alleviation and control of seismic and geological disasters.Key words ：rock mechanics ；saturated rocks ；mean stress ；sine wave stress amplitude ；stress corrosion1 引 言岩石由许多各种各样的矿物颗粒组成，相邻颗粒紧密接触构成了固体骨架，颗粒间的裂纹和微结构边界的存在是不可避免的。

沉积岩中波速、衰减及渗透率随压力的变化刘斌;杨晓勇;王宝善;席道瑛;T.Popp;H.Kern【期刊名称】《石油地球物理勘探》【年(卷),期】2000(035)001【摘要】在三轴围压容器内对泥岩、粉砂岩、砂岩和杂砂岩中的弹性波速度、衰减和渗透率进行了测量,并对样品作了显微组构分析.实验发现,由于砂岩的孔隙率大,矿物颗粒的分选度和磨圆度较好,颗粒间孔隙的连通性很好,其渗透率最高;粉砂岩中晶体颗粒尺寸比砂岩的小,颗粒间的孔隙也较小,连通性受到影响,因此渗透率比砂岩的低;泥岩的渗透率更低,因为它的矿物颗粒更细小且固结性较差,很容易将连通的孔隙堵塞;杂砂岩是由分选性差、未经磨圆的碎砾通过基质胶结形成的,孔隙间的连通性很低,它的渗透率最小.随着围压和轴向差异应力的变化,四种样品中的波速、衰减和渗透率均发生不同形式的变化,反映了岩样组构特别是微裂隙的变化情况.【总页数】7页(P129-135)【作者】刘斌;杨晓勇;王宝善;席道瑛;T.Popp;H.Kern【作者单位】中国科学技术大学地球和空间科学系;中国科学技术大学地球和空间科学系;中国科学技术大学地球和空间科学系;中国科学技术大学地球和空间科学系;德国基尔大学地球科学研究所;德国基尔大学地球科学研究所【正文语种】中文【中图分类】P631;TE1【相关文献】1.波速和衰减对岩石力学参数和岩体结构变化的敏感性研究 [J], 王观石;程渭民;胡世丽2.考虑渗透率随压力变化的新煤层井压力衰减试井解释方法 [J], 张公社;林涛;吴亚红;范明福;刘长印3.考虑毛细管压力的纵波速度衰减特征分析——以球状斑块饱和模型为例 [J], 何锋;张广智;张佳佳;裴忠林;印兴耀4.4.0 GPa压力下纯橄岩弹性纵波速度和衰减的实验研究 [J], 刘巍;杜建国;谢鸿森;周文戈;郭捷5.储层沉积岩地震波速度及衰减与岩石物性间的关系[J], A·I.Best;唐朗青;张鸾清;张柏林因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第 54 卷第 6 期2023 年 6 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.6Jun. 2023具有梯度静应力的红砂岩应力波衰减特性试验研究金解放1，刘康2，张雅晨1，王熙博1，张睿1，石子勃2，徐虹1(1. 江西理工大学 土木与测绘工程学院，江西 赣州，341000；2. 江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州，341000)摘要：地下工程围岩体承受梯度应力，导致围岩体在梯度空间上的孔隙度不同，影响应力波在其传播的衰减特性。

为研究梯度应力对岩石应力波传播衰减特性的影响，利用改进的SHPB 试验装置，对红砂岩试件进行不同静应力梯度工况下的应力波传播试验。

将采集得到的波形时域数据分别进行傅里叶变换和小波包分解重构。

分析应力波质心频率和频带能量分布与静应力梯度的关系，构建频域特征参数的演化经验模型，表征梯度静应力下岩石中应力波的衰减与频散特性。

研究结果表明：应力波频谱幅值和应力波信号能量都主要集中于低频带，其中，频带0~7.81 kHz 的能量占总能量的80%左右。

梯度静应力作用时，岩石中的应力波质心频率随传播距离增加呈线性增加，在同一测点处，应力波质心频率随应力梯度的增加呈“先增加后减小”的变化趋势；在梯度静应力作用下，岩石应力波的频谱峰值衰减呈先快速下降再平稳发展的趋势；岩石应力波总能量与传播距离的幂函数呈线性变化；在梯度静应力作用下，应力波的频带能量和质心频率随传播距离的增加由低频带向较高频带偏移。

研究结果阐释了梯度应力的围岩体中应力波的传播衰减规律，从频域的角度指出了应力波在具有梯度应力环境下的传播衰减特性。

关键词：应力波传播；梯度应力；衰减与频散；频谱分析；频带能量分布中图分类号：TU45 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2023）06-2482-14Experimental study on attenuation characteristics of stress wavein red sandstone with gradient static stressJIN Jiefang 1, LIU Kang 2, ZHANG Yachen 1, WANG Xibo 1, ZHANG Rui 1, SHI Zibo 2, XU Hong 1(1. School of Civil and Surveying Engineering, Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000, China;2. College of Resources sources and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000, China)收稿日期： 2022 −07 −25； 修回日期： 2022 −09 −30基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51964015，52174112)；江西理工大学清江青年英才支持计划项目(JXUSTQJBJ2017007) (Projects(51964015, 52174112) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (JXUSTQJBJ2017007) supported by Qingjiang Excellent Young Talents of Jiangxi University of Science and Technology)通信作者：金解放，博士，教授，博士生导师，从事岩土动力学及其稳定性分析研究；E-mail ：*****************DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.06.034引用格式： 金解放, 刘康, 张雅晨, 等. 具有梯度静应力的红砂岩应力波衰减特性试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(6): 2482−2495.Citation: JIN Jiefang, LIU Kang, ZHANG Yachen, et al. Experimental study on attenuation characteristics of stress wave in red sandstone with gradient static stress[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(6): 2482−2495.第 6 期金解放，等：具有梯度静应力的红砂岩应力波衰减特性试验研究Abstract:In underground engineering, the surrounding rock mass is subjected to gradient stress, resulting in different porosity of the rock mass on the gradient space, which affects the attenuation characteristics of the stress wave in its propagation. To explore the effect of gradient stress on the attenuation characteristics of rock stress wave propagation, a modified SHPB test device was employed to conduct stress wave propagation tests on red sandstone specimens under different static stress gradient conditions. The waveform time-domain data of the stress wave was obtained. The time-domain waveform data were respectively subjected to Fourier transform and wavelet packet decomposition and reconstruction. The relationship among the centroid frequency and frequency band energy distribution of stress wave and the static stress gradient were analyzed, respectively, and the evolution empirical model of the characteristic parameters in the frequency domain were built to characterize the attenuation and dispersion characteristics of the stress wave in the rock under the gradient in-situ stress. The results show that the stress wave spectrum amplitude and stress wave energy are mainly concentrated in the low frequency band with the frequency band 0−7.81 kHz accounting for about 80% of the total energy. Under the action of gradient static stress, the centroid frequency of stress wave in the rock increases linearly with the propagation distance. At the same point, the centroid frequency of stress wave in rocks tends to "increase and then decrease" while the stress gradients increase. The decay of the peak spectrum of rock stress waves under gradient static stress tends to decrease rapidly before developing smoothly, and the total energy of rock stress waves varies linearly as a power function of the propagation distance. The band energy of the stress wave under gradient static stress is shifted to the right as a whole with the increase of the propagation distance, which also indicates the development of the centroid frequency towards the high frequency band. The results illustrate the attenuation characteristics of stress wave propagation in the surrounding rock mass under gradient in-situ stress. At the same time, the attenuation characteristics of stress wave propagation in an environment with gradient in-situ stress are pointed out from the frequency domain perspective.Key words: stress wave propagation; gradient stress; attenuation and dispersion; spectrum analysis; distribution of energy在地下工程岩体爆破开挖过程中，赋存在不同地应力环境下的围岩体受到动荷载作用，动荷载产生的应力波在不同地应力环境下的工程岩体中传播衰减。