饱和多孔岩石应力波的衰减特性
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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。
第31卷 第1期爆炸与冲击Vol.31,No.1 2011年1月EXPLOSION AND SHOCK WAVES Jan.,2011 文章编号:1001-1455(2011)01-0107-06多孔材料中应力波的传播*赵 凯1,王肖钧1,刘 飞2,罗文超1(1.中国科学技术大学,安徽合肥230027;2.总参工程兵科研三所,河南洛阳471000) 摘要:针对多孔泡沫混凝土实验应力应变曲线的基本特点,提出并建立了一种可以考虑孔隙压实过程的材料本构模型及其数学形式。
通过典型算例,分析了应力波在多孔材料中传播的耗散效应,指出多孔材料中的孔隙在被压实过程中能有效吸收应力波能量、降低应力波强度,在引起应力波衰减的诸因素中,孔隙压实所起的作用更大更显著。
关键词:固体力学;本构耗散;应力波;泡沫混凝土;多孔;孔隙 中图分类号:O347.4 国标学科代码:130·1515 文献标志码:A 多孔材料是指具有一定尺寸和数量的孔隙结构材料,孔隙的尺寸、数量和分布是影响物理性能的主要因素。
多孔材料具有密度低、抗冲击、吸能性强等优点,因此被广泛应用于航空航天、交通安全、产品包装和各种抗爆减震防护领域,是当前研究中的热点问题之一。
LU Guo-xing等[1]、WANG Bin等[2]采用改进的Taylor冲击实验技术测得了具有延展性的多孔材料的动态屈服强度。
Y.S.Lee[3]采用宏细观结合的方法,通过数值模拟发展了一种多孔材料的粘塑性本构模型。
J.P.Borg等[4]采用数值模拟方法研究了冲击波在不同初始孔隙率的沙土中的传播特性,对比并分析了描述多孔材料的几种不同本构模型。
胡时胜等[5]对多孔泡沫材料进行了高应变率冲击实验,提出了应变率相关的本构关系,分析了冲击波在聚氨酯泡沫塑料中的传播规律。
周钟等[6]建立了两种着重描述多孔岩石孔隙坍塌机理的弹塑性本构模型,并对弹塑性波在多孔凝灰岩中的传播过程进行了计算,揭示了多孔岩石中应力波传播的基本特性和多孔凝灰岩中地下爆炸震源函数的特性。
岩体爆炸应力波衰减规律的颗粒流数值模拟陈文昭;刘夕奇;李斌【摘要】基于PFC2D离散元软件,首先对岩石的动力落锤实验进行模拟,获取岩体的动力学细观参数.随后建立了集中药包作用下岩体的爆破模型,对不同关键点处的应力波峰值进行了监测,得到了应力波在岩体传播过程中的衰减规律并与理论值进行对比,从爆破漏斗的形成和理论应力波衰减的拟合效果来看,PFC模拟爆破有潜在的优越性,能较好的再现爆破的整个过程,因此,可以预先利用数值手段为试验方案设计提供指导;为爆破的研究工作提供经济、简便而实用的方法.【期刊名称】《南华大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2016(030)001【总页数】6页(P118-123)【关键词】PFC2D;动力落锤;爆破漏斗;爆炸应力波衰减【作者】陈文昭;刘夕奇;李斌【作者单位】南华大学城市建设学院,湖南衡阳 421000;南华大学城市建设学院,湖南衡阳 421000;南华大学城市建设学院,湖南衡阳 421000【正文语种】中文【中图分类】TP391.9爆破是目前工程施工中常用的手段.爆破的对象主要为岩石或部分岩土,在爆破施工过程中,充分利用岩体的构造特点、合理选取爆破方位、装药量,不但可以达到预期的爆破效果,将爆破的范围、程度、抛掷方向、堆积形状和危害效应控制在规定限度以内,还可以节约大量炸药,提高爆破效率,保护开挖土体,提高工程岩体的稳定性.因此,对应力波衰减规律进行研究不仅具有重要的理论意义,也有重大的工程应用价值.国内外相关学者从理论、试验模拟上都对爆炸应力波的影响做了一些研究工作.胡英国等[1]基于LS-DYNA与FORTRAN,对岩体损伤模型进行了模拟和改进,建立了定量描述岩体爆破损伤范围的拉压损伤模型.夏祥等[2-4]对爆炸应力波衰减规律及岩石破坏过程进行了试验和仿真研究,根据不同岩质、地质情况,提出了不同的爆破控制标准.Z.M.Zhu等[5]考虑在钻孔直径、边界条件介质耦合等因素的影响下,结合岩石材料及荷载性质利用4种状态方程模拟爆炸荷载研究其对开裂情况及应力波传播的影响;Z.M.Zhu[6]利用数值模拟方法分析了台阶爆破和漏斗爆破的损伤开裂情况.利用现场爆破实验来研究爆炸的动力响应、应力波的传播等,存在对试验场地要求较高、斥资巨大、不安全等缺点;并且,现场实验能获得的监测数据有限,因此,直接进行现场爆破试验,往往达不到预期的效果,实验数据受外界影响比较大,存在一定的偏差,且存在人力、物力和财力上的浪费.数值手段可以在不受到外界环境因素干扰条件下获取实验中无法获取的数据,而且可以分析某些关键全过程.在指导工程建设和开展进理论研究等方面都具有比较深远的意义.1.1 爆炸应力波模拟集中药包作用下,爆炸应力波以球面波的形式向外传播,由于球面波的复杂性,实际处理一般简化为平面波考虑,工程实际中常用的装药孔压力变化历程主要有三角形分布荷载和指数分布荷载模型两种.在实际的抗爆工程研究中,由于三角形荷载分布形式简单,能够反应爆破荷载的基本特点,因此应用较为广泛.根据工程爆破的一般特点,假定球药包对岩壁的压力P(t)与时间的关系如图1所示,采用给炮孔壁施加爆炸荷载的方式来模拟爆破作用,PFC通过程序把动荷载简化为简谐波输入.根据南华城建学院巷道爆破模型试验的研究成果,取爆炸荷载上升时间tr为2 ms,爆炸荷载正压作用时间td为7 ms,爆炸荷载峰值Pb0为50 MPa.1.2 模型细观参数研究依据南华城建学院巷道爆破模型试验,爆破模型所用材料为水泥∶中砂=1∶5.23的水泥砂浆来代替岩石.为获取模型的动力学细观参数,采用南华大学数理学院XJL-98落锤式冲击试验机,对岩石试件进行动力冲击试验(如图2所示),建立PFC岩石冲击试验模型(如图3所示),试验中采用动态数据采集系统测量岩石试件的动力弯曲试验的力、应变时程(如图4、图5所示).通过模拟实验反演算获取岩体的细观力学参数,在敏感性分析的基础上,通过反演分析,获得模型细观参数如表1.由图4和图5不难看出,模拟曲线与试验曲线吻合良好.需要指出的是,在动力分析中,为了更好的反应颗粒对应力波的衰减作用,使能量消散过程更好地反应实际情况,在爆炸荷载施加结束后,岩体破碎并开始运动,因此将待爆区的颗粒的局部阻尼设为零,并激活粘性阻尼.除此之外,考虑到模拟空间为半无限空间,当应力波传递到模型边界时不允许出现反射现象,在模型的侧面及底面都设置无反射边界,具体做法为,在这三条边界的某一个较小区域内颗粒的粘滞阻尼设置成1.0,局部阻尼都设置成0.7,当应力波传递到边界区域时,能量会被阻尼所耗散,不会发生反射现象.本例中取岩体爆破区域的剖面尺寸为40 m×12 m,药包埋置深度为3 m,本次模拟取药包半径d=0.2 m.初始冲击压pd=50 MPa为研究近爆区岩体所受到的爆炸冲击波的变化情况,数值模型在距爆源不同距离的岩体处设置了爆炸应力波监测点,监测点及药包位置示意图如图6所示.2.1 岩体爆炸应力波形成过程模拟分析当爆炸荷载作用于药腔表面上时,位于爆炸荷载冲击表面的岩石介质在爆炸压力的作用下沿药腔径向偏离了初始平衡位置.偏离初始平衡位置的这部分介质点沿爆源径向挤压临近质点,导致临界质点也发生了相对运动(变形),由于岩石质点具有惯性,相邻岩石质点的运动必将滞后于药腔表面岩石质点的运动.但由于岩石质点在沿径向挤压的过程中,会形成沿药腔表面切向的张拉应力,当达到岩体的动力抗拉强度后,药腔表面岩体破坏,从而导致爆炸能量流的部分耗散.以此类推,外荷载在表面上所引起的扰动,在这种爆炸挤压的传递作用下,在岩石介质中形成由近及远,并且强度按某种方式逐渐减小的应力波.图7a、图7b分别为t=2 000步和t=4 000步时无节理岩体爆炸应力波振图.扰动区域与未扰动区域的界面称为波阵面,由图中可清晰地看出炸药爆炸后,冲击波开始以球形药包为中心沿径向向深部的岩体传播,形成一个球状的扩散圈.压力脉冲在传递至自由面时反射形成拉伸脉冲.在深部,随着距起爆点距离的增大,应力波逐渐减弱.2.2 爆炸破岩机理分析图8为破碎区范围图.如图所示,爆炸发生时,爆区周围岩体在冲击波作用下产生径向的压缩现象,形成粉碎区(如图8所示),粉碎区半径约为0.65 m左右,约为装药半径的3倍左右,这与哈努卡耶夫[7]、王明洋[8]等的研究成果相一致.粉碎区之后,冲击波衰减为应力波,当爆炸应力波在岩体的自由表面反射成拉伸脉冲时,将在临近岩石自由面的某处造成相当大的拉应力,当满足该岩体的某动态断裂准则,就会在该处形成岩体的破裂,裂口足够大时,整块岩体裂片便带着陷入其中的动量飞离,如此就在断裂处就形成了新的岩石自由面,继续入射的压力波就将在此新自由面上反射,从而造成第二层层裂.以此类推,在一定条件下可形成多层层裂,产生一系列的多层痂片(如图9所示).这种由压力脉冲在自由面反射所造成的背面的动态断裂称为层裂或崩落.需要指出的是,一个爆炸应力波是由应力波头部的压缩和加载波及随后的卸载波波阵面所组成的.应力波脉冲在自由表面反射形成了足以满足动态断裂的准则的拉应力;而拉应力的形成,则实际上在于入射应力波头部的压缩加载波在自由表面反射为卸载波后,再与应力波波尾的卸载波的相互作用.岩体的运动过程总的来说是一个应力波传播、反射和相互作用的结果.在爆破的整个过程中,炸药内部的能量将快速地转化为机械能、热能、光能等,形成爆炸能量流,这些能量的一个显著作用就是以振动响应的形式向药包周边岩石介质突跃传播速度、爆炸压力等,这些能量在传播的过程中一部分作为近爆区岩体破坏的能量耗散掉,一部分作为弹性势能储存于岩体中,其余的都转化为其他形式的能量杯消耗掉.随着距起爆点距离的增大,所剩能量流的输入大部分转变为岩体的弹性势能,只能引起岩石质点发生弹性振动,直到振动能量被岩体完全吸收.应力波压力也随着传播过程急剧下降直至爆炸产生的冲击效应逐渐消散.图10为理论爆破漏斗形状,图11为数值模拟获得的爆破漏斗形状,从图中可以看出,二者吻合情况良好.2.3 岩体爆炸应力波衰减规律根据以上的分析,岩石作为类似于无限的介质体,爆炸波在岩体中传播时其峰值必然会有所衰减,应力波峰值的衰减基本上是随着岩体质点距爆源距离的增长而成比例的减小.根据相关研究成果[9-10]对爆炸应力波峰值在岩体传播时的衰减规律可由下式计算得出:式中:Pr为岩体内距爆源任意距离的某一岩石界面处的爆轰波峰值压力,Pa;Pd 为爆轰波作用在装药孔孔壁岩石界面上的初始冲击压,Pa;d为装药半径,m;r 为岩石界面距爆源的距离,m.本次模拟取药包半径d=0.2 m,初始冲击压pd=50 MPa.图12为模拟分析时设立的各监测点爆炸应力波时程曲线.图13为根据式(1)计算获得的监测点岩体压力峰值随爆心距的理论衰减曲线,图12模拟分析中监测得出的监测点岩体压力峰值随爆心距衰减曲线,图中横坐标为监测点距爆源距离与装药半径的比值,图中纵坐标为爆炸压力峰值.根据式(1)和各个监测点的压应力峰值给出了监测点岩体压力峰值随爆心距的理论衰减曲线与数值模拟衰减曲线,通过对比,球形药包周围岩体中传播的应力波随距离按幂函数规律衰减[11].数值模拟计算得出的爆破压力峰值衰减情况与采用理论公式计算得出的结果基本一致,说明通过数值模拟得到的应力波衰减过程是可信的.1)根据本次研究, PFC2D程序能够很好的爆炸应力波及破岩的整个过程.PFC2D 从细观角度出发,数学模型化地把岩体看做连续不断的质点构成,不同的质点在不同时刻占有不同的空间位置,克服了大变形、材料非线性及有限元不能模拟爆破漏斗及爆炸连续过程等一系列问题,并且在建模过程中土的本构关系不须人为指定,只需赋予颗粒相关的参数即可,建模过程简单,模型特性与实际工况较吻合;2)从爆破漏斗的形成和理论应力波衰减的拟合效果来看,PFC能较好的再现爆破的整个过程.进而可较为符合实际地进行一系列原位岩体在爆炸作用下的动力响应研究;3)岩土工程颗粒流数值模拟的精确程度在很大程度上取决于模型细观参数的选取,目前模型的细观参数和宏观响应之间没有明确的对应关系,因此很难进行量化对比.为提高离散元模拟分析实际工程问题的能力,有待进一步开展对现在的细观机理和宏观现象关系的研究以及模型可靠度的分析.4)由于本文仅选取了均质、平整场地的岩体进行数值模拟,对于地形复杂以及存在节理、裂隙等缺陷的岩体爆破效果的影响尚未考虑其中,这些都需要进一步开展工作,以便获得更精确的模拟结果.【相关文献】[1] 胡英国,卢文波,陈明,等.岩石爆破损伤模型的比选与改进[J].岩土力学,2012,33(11):3278-3284.[2] 夏祥,李海波,张大岩,等.红沿河核电站基岩爆破的控制标准[J].爆炸与冲击,2010,30(1):27-32.[3] 夏祥,李俊如,李海波,等.广东岭澳核电站爆破开挖岩体损伤特征研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(12):2510-2516.[4] 李俊如,夏祥,李海波,等.核电站基岩爆破开挖损伤区研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(S1):4674-4678.[5] Zhu Z M,Mohanty B,Xie H P.Numerical investigation of blasting-induced crack initiation and propagation in rocks[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2007,44(3):412-424.[6] Zhu Z M.Numerical prediction of crater blasting and bench blasting[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2009,46(6):1088-1096.[7] 哈努卡耶夫.矿岩爆破物理过程[M].刘殿中,译.北京:冶金工业出版社,1980.[8] 王明洋,邓宏见,钱七虎.岩石中侵彻与爆炸作用的近区问题研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2859-2863.[9] 高金石,张继春.爆破破岩机理动力分析[J].金属矿山,1989(9):7-12.[10] 戴俊.柱状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2001,20(2):144-147.。
岩石应力波传播特性的试验研究和数值模拟岩石应力波传播是地质工程中的重要研究课题,对于地下爆破、地震学和岩石力学等领域具有重要意义。
本文将介绍岩石应力波传播特性的试验研究和数值模拟,以期对该领域的研究做出贡献。
一、试验研究1. 实验目的通过实验研究,我们可以更好地了解岩石中应力波的传播特性,如传播速度、衰减和能量分布等,并验证数值模拟结果的准确性。
2. 实验装置为了模拟真实的地质环境,我们需要构建一个合适的实验装置。
该实验装置应包括几个重要的组成部分:压力源、传感器、岩石样本和数据采集系统。
压力源用于产生应力波,传感器用于测量应力波的传播情况,岩石样本用于模拟真实的岩石条件,数据采集系统用于记录和分析实验数据。
3. 实验步骤在实验开始前,我们需要选择合适的岩石样本,并对其进行测量和准备工作。
在实验过程中,我们需要控制压力源的输出,并通过传感器记录应力波的传播情况。
实验结束后,对实验数据进行处理和分析,得出相应结论。
二、数值模拟1. 数值模拟方法数值模拟是一种有效的研究手段,可以通过计算机技术对岩石应力波的传播特性进行模拟和分析。
常用的数值模拟方法包括有限元法和边界元法等。
2. 模型建立在进行数值模拟前,我们需要进行模型建立工作。
首先,选择合适的岩石模型,并确定边界条件和加载方式。
然后,根据模型的几何形状和材料性质,进行离散化处理,将岩石模型划分为有限元网格或边界元节点。
最后,设置加载参数和计算方法,进行数值计算。
3. 模拟结果分析在完成数值计算后,我们需要对模拟结果进行分析。
通过分析模拟结果,我们可以得到应力波的传播速度、衰减情况和能量分布等重要参数。
同时,与实验结果进行对比,验证数值模拟的准确性。
三、实验与数值模拟的比较1. 结果对比通过实验和数值模拟的比较,我们可以判断数值模拟结果的准确性和可靠性。
如果实验结果与数值模拟结果吻合较好,则说明数值模拟方法有效。
反之,若存在较大差异,则需要对数值模拟方法进行修正和改进。
基于UDEC岩体爆炸应力波衰减规律的研究曹攀;颜事龙;倪磊;刘锋;李永军【摘要】通过GENERATE命令划分有限差分网格,BOUNDARY xvisc和BOUNDARY yvisc命令产生静态边界,DAMP命令确定Rayleigh阻尼参数中的最小中心频率和最小临界阻尼比,选用高斯脉冲函数作为动力激励作用于炮孔壁粉碎区边界,输入爆炸动力荷载,建立岩体爆破UDEC数值计算模型,运用离散元件UDEC 模拟了距爆源不同距离处岩体质点爆炸应力波的变化特征.数值模拟与理论推导结果表明:用离散元软件UDEC计算得到的岩体中爆炸应力波衰减规律与理论公式计算结果基本符合,误差在工程实践应用的允许范围之内,因此UDEC适合用于数值模拟爆炸荷载下岩体动态响应.【期刊名称】《爆破》【年(卷),期】2014(031)001【总页数】5页(P42-46)【关键词】UDEC;爆炸应力波;数值模拟【作者】曹攀;颜事龙;倪磊;刘锋;李永军【作者单位】安徽理工大学化学工程学院,淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,淮南232001;重庆顺安爆破器材有限公司,重庆404100;安徽理工大学化学工程学院,淮南232001;特种作战学院,广州510000【正文语种】中文【中图分类】TU452爆炸应力波理论一直是工程爆破界的重大研究课题,爆炸应力波传播规律是进行工程爆破理论分析、计算和设计的基础,在采矿、水利建设、道路构筑、机场及港口建设等工程领域具有广泛的应用价值[1]。
研究爆炸应力波的衰减规律对研究岩石动态应力场、损伤场及应力波防护工程的建设都有重要意义。
由于岩体爆炸动力过程极其复杂,物理测试爆炸过程每个细节比较困难,而且实验设备比较昂贵复杂,较多的研究成果集中在物理模型中爆炸应力波的测试,全比例条件下的测试成果很少[2-6]。
数值模拟计算作为一种试验工具,可以进行全比例模拟运算,减少实验成本,再现物理过程。
纵观目前的研究发现,研究者大多采用基于连续介质力学基础的分析软件LS-DYNA进行爆炸模拟[7-10],此种方法较适用于岩石爆破小变形分析,在基于非连续介质力学基础的离散元软件UDEC(Universal Distinct Element Code)中,岩体被看作一种不连续的三角形离散块体,三角形离散块体之间可以有大位移、旋转、滑动乃至块体的分离,能够更真实揭示岩体内应力场变化过程。
爆破应力波的传播研究现状述评爆破应力波的传播研究现状述评摘要:从研究爆破应力波的远区传播机理和确定其破岩效应出发,介绍了爆炸应力波的传播及其破岩效应研究从简单到复杂、从理想化材料到尽可能与现实实际相吻合的材料、从近到远的研究历程, 及其各阶段取得成果与不足。
认为目前的研究已由过去尽量简化岩性 ( 弹性均质体 )和爆源 (球状药包 ), 向尽量反应炸药爆炸与装药结构特征、反应岩体现状与本性的方向发展;由以破岩为目的, 向爆破后续的安全问题发展。
并为研究爆破对保留岩体的影响及其稳定性, 提出了今后应加强工作的具体意见。
关键词: 爆破应力波;传播机理;岩体稳定Abstract: From the far region of the blasting stress wave propagation mechanism and determine the effect of rock fragmentation, this paper introduces the explosion stress wave propagation and its effect of rock fragmentation should study from simple to complex, from the ideal material to as much as possible, in conformity with the actual reality, from near to far, studying process, and its various stages. The results and shortage believe that the current study has been developed from the past try to simplify the litho logy (elastic isotropic body) (spherical cartridge), an explosive source and to try to reflect the features of blast explosion and charge structure, the present situation in the reaction of rock mass and the nature of the direction of development; By for the purpose of broken rock, subsequent to the blasting safety development.keywords:blasting stress wave; mechanism of propagation; stability of mass rock 1 引言炸药在岩体中爆炸,引起周围介质扰动,并以波的形式向外传播。
不同温压下岩石弹性波速度,衰减及各向异性与组构的关系刘斌【期刊名称】《《地学前缘》》【年(卷),期】2000(007)001【摘要】结合岩石组构分析 ,阐述了岩石弹性波传播速度和衰减以及它们的各向异性与岩石组构之间的关系。
在不同温压条件下对具有很强晶格优选方位的岩石样品的研究表明 ,随着围压的增加 ,波速和Q值均增大 ,但是在相互正交的 3个方向上(垂直或平行于层理面及线理方向 )增大的速度并不相同 ,这与微裂隙的逐渐闭合密切相关。
观测到的波速和Q值的各向异性具有不同的形成机理 ,波速各向异性主要与定向分布的微裂隙和主要矿物的晶格优选方位等构造因素有关 ;高围压下Q值各向异性与速度各向异性正好相反 ,可能是由于定向排列的矿物晶体沿不同方向其边界之间接触程度不同造成的。
对岩石组构的研究不仅可以揭示岩体的变形机制、变形的动力学过程及其有关的热力学信息 ,还可以对宏观岩石的各种物理性质 ,尤其是力学特性 ,从微观机理上加以解释。
文中特别强调了岩石组构分析对研究岩石物理性质的各向异性具有十分重要的意义。
【总页数】11页(P247-257)【作者】刘斌【作者单位】中国科学技术大学地球和空间科学系【正文语种】中文【中图分类】P584【相关文献】1.含黏滞流体各向异性孔隙介质中弹性波的频散和衰减 [J], 魏修成;卢明辉;巴晶;杨慧珠2.岩石弹性波速度和饱和度、孔隙流体分布的关系 [J], 史謌;沈文略;杨东全3.不同温压条件下弹性波在岩石中传播速度的实验研究 [J], 马瑞;卢民杰4.不同温压下岩石弹性波速度、衰减及各向异性与组构的关系 [J], 刘斌5.地球动力学和地震学的桥梁——变形岩石组构与波速各向异性关系 [J], 金振民;金淑燕;李隽波因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
第19卷 第5期地 震 学 报Vol.19,No.5 1997年9月 (457~461)ACTA SEISM OLOGICA SINICA S ep.,1997 饱和多孔岩石应力波的衰减特性席道瑛 程经毅 易良坤 张 斌(中国合肥230026中国科学技术大学地球及空间科学系)(中国合肥230026第三世界科学院中国科大地球科学和天文学高级研究中心)摘要 在0.01~100Hz频率范围内,采用粘弹谱仪进行了3种孔隙度的干燥和饱和砂岩的动态力学频率谱和温度谱试验,取得衰减和模量在不同温度峰的频率响应.饱和砂岩的衰减随砂岩孔隙度的增加而增大;复模量随孔隙度的增加亏损增大,频散程度增强;并对频率谱和温度谱的对应关系进行了讨论.主题词 动态响应 应力波 衰减 饱和砂岩引言许多研究结果已证实地球介质并非完全弹性,尤其在地壳表面,由于岩石中充填液体,使岩石的非弹性性质更为显著.地震勘探就是利用地震波通过岩石后波形的畸变来寻找地下储层的.围绕对地球物理勘探的资料解释精确度和准确度的要求的提高,岩石物性的研究变得越来越重要.为此,国内外地球物理工作者展开了一系列实验研究.White和Bo it(1986)建立了流体充填的多孔介质模型,对流体充填岩石进行理论研究.指出模型的衰减系数在低频时以f2(频率)变化,高频时以f0.5变化.Klim entos和M accann(1990)在0.5~1.5M Hz频率范围内就砂岩中的P波衰减与孔隙度、粘土含量和渗透率的关系作了详尽的研究.Grant(1994)给出了非Boit流体的声频衰减,并用局部毛细流体衰减机制解释了实验结果.认为超声频率情况下的衰减对实际中流体饱和岩石的地震波衰减并不能提供有用的信息.为此,需要在地震勘探的频率范围内对饱和流体岩石的衰减和频散作深入细致地研究.我们拟选择在地震勘探频率范围内作衰减方面的研究工作.1实验样品及实验方法长石砂岩样品采自四川自贡,采用饱和及浮力技术测定孔隙度 [=(m饱-m干)/(m饱-m浮)],其总孔隙度值分别为7.45%、12.41%和16.70%.将其加工成5mm×10m m×70mm的板条状样品20块.将加工好的样品放入烘箱内,在50℃左右的温度下烘3天作为干燥样品,将部分干燥样品抽真空12小时后,分别放入盛有泵油和大庆石油的容器中,浸泡50小时以上,作为饱和样品.将制备好的样品加固在美国Imass公司生产的DYNA-STAT粘弹谱仪上进行3点弯曲加载的共振实验.中国科学院固体研究所中国科大内耗与固体缺陷开放实验室与国家自然科学基金会联合资助项目.1996-07-18收到初稿,1997-03-06收到修改稿并决定采用.粘弹谱仪主要用于材料力学性能和微观机理的研究,它是研究材料在交变载荷作用下的应变响应.通过测量应变落后于应力的相位角,进而得到岩石的衰减和模量变化.而这种响应与材料微观结构有密切关系.在作实验时,可选择应力控制或应变控制模式,并可在0.01~10kg 静载范围、0~10kg 动载范围内连续变化.测量频率为0.01~100Hz,采用热电耦测温,温度为室温到80℃的范围内变化,它有专门的数据采集及计算机处理系统.实验时只需将样品的几何尺寸输入后,可在测量过程中适时得到该样品在对应条件下一系列待测参数,并绘制出相应的图件.其中,温度的测量精度为0.5℃,衰减的测量精度为10-4,应变的测量精度为10-6.2试验结果与分析图1为3种干燥的孔隙度砂岩的衰减与复模量随频率的变化图.由图可见,当频率低图1 干燥砂岩衰减、模量随频率的变化曲线(A :7.45%;B :12.41%;C :16.7%)于10Hz 时,衰减和复模量随频率变化很小.当频率大于10Hz 时衰减随频率增高而减小,频散增强.随着砂岩孔隙度的增大,衰减量增大.孔隙度为7.45%的干燥砂岩,衰减随频率的增加略有减小;孔隙度为16.7%的干燥砂岩随频率的增加衰减减小快一些;孔隙度为12.41%的干燥砂岩衰减随频率的增加而减小的量介于前两种孔隙度的干燥砂岩之间.与之对应的复模量随频率的增加有所增加.复模量增大的规律也随砂岩孔隙度的增大而增大,但增长的趋势变小.可见,岩石孔隙度对衰减和模量的影响都比较大,随孔隙度的增大频散效应增强. 图2为泵油饱和砂岩的衰减和复模量随频率的变化.由图2a ,b ,c 不难看出,3种不同孔隙度的长石砂岩的衰减峰峰形随频率的不同而有所改变,室温时在2.5Hz 左右都存在一衰减峰.复模量随频率增高而缓慢增大.3种孔隙度的砂岩都存在明显的频散,在衰减峰峰位附近模量曲线有一明显的拐点,拐点以后复模量随频率的增高增大很快.模量曲线变陡,频散加剧.如果与图1的复模量比较可发现,在孔隙度相同的情况下,图2模量的频散一般都比图1的模量频散大,可见,随着含油饱和度的增加频散也增强.图2 泵油饱和砂岩的衰减和复模量随频率的变化(a )孔隙度为7.45%;(b )孔隙度为12.41%;(c )孔隙度为16.7%458 地 震 学 报 19卷 图3为3点弯曲加载条件下3种孔隙度的长石砂岩在泵油饱和及同等载荷条件下测得的衰减-频率谱曲线.从图3进一步分析比较看出,随着孔隙度的增大,衰减明显增大.峰的宽度逐渐变窄,峰高也逐渐增高,但峰值频率基本不变.可见,弛豫衰减峰不是一个单一的Debye 峰.看来它的分布宽度与峰高和砂岩的孔隙度的大小及孔隙度的结构有较密切的关系.在图1的干燥砂岩衰减中,可以得到3种砂岩随孔隙度的增大衰减也增大.图3也可得到同样的结果.根据图1和图3的值所做的衰减与砂岩孔隙度的关系表示在图4中,其干燥砂岩拟和关系式为Q -1=-0.034+0.0114(1)饱和砂岩拟合关系式为Q -1=-0.134+0.0258 (2)其中, 为孔隙度,衰减与干燥砂岩孔隙度的相关系数为0.96以上.可见,衰减随砂岩孔隙度的增大而明显增加.图3 不同孔隙度饱和砂岩衰减-频率关系图4 衰减与孔隙度的拟合关系 孔隙度为16.7%的砂岩颗粒的胶结程度比孔隙度为7.45%和12.41%的砂岩明显要差.使整体弹性性质降低,导致砂岩的非弹性性质增加,从而引起衰减增大,模量减小.对饱和泵油砂岩,孔隙空间将被流体充填.当对砂岩施加应力时,砂岩固体框架在外力作用下运动,孔隙流体将滞后于框架的运动而产生内摩擦.流体在孔隙中流动,孔隙越大,流体与孔隙壁的接触面积就越大,内摩擦也就越大,宏观衰减量也就越大.砂岩本身的固有非弹性性质随砂岩孔隙的增加而增加;孔隙液体和砂岩固体框架的内摩擦随孔隙度的增大而增加,这两条因素促使大孔隙度的砂岩衰减的急剧增大.图5是孔隙度为12.41%的饱和石油砂岩衰减随温度的变化,它是一种变频升温测量结果.由图可见,当频率为0.5Hz 时,峰温为16.5℃;当频率增加到2.3Hz 时,峰位向高温方向移到12.4℃;当频率再增加到5.0Hz 时,峰位升到18℃.可见,随着频率的增高峰位向高温方向移动,说明饱和石油砂岩的衰减峰具有典型的热激活弛豫峰特征,应遵循Arrhenius 关系= 0ex p(H /kT )(3)式中, 为弛豫时间, 0为单一弛豫时间,H 为激活能,k 为玻尔兹曼常数.通过图5改变频率的方法由4个衰减峰的移动求得大庆石油饱和砂岩的激活能H = 1.712ev ,试探频率4595期 席道瑛等:饱和多孔岩石应力波的衰减特性 -10=2.99×1027(席道瑛等,1995).由于f =1对应衰减-温度峰的峰值温度T p ,即可求得对应的频率.在地球物理勘探中最需要知道的是衰减随频率的变化关系.但由于变频测量需要极宽的频带,尤其饱和石油岩石弛豫峰具有较宽分布时(席道瑛等,1995),仪器的频带很难满足地球物理的要求,为此,需要将定温变频测量转化为定频变温测量.由式(3)可见,衰减峰的峰温对应一定的弛豫时间,也就是对应一定的振动频率f =1 0exp(H /kT )(4)因此,我们可以利用这一关系,在较窄的频率范围内看是否能取得衰减温度峰对应的频率响应. 图6就是与图5对应的定温变频测量结果.不难看出,在0.1~10Hz 窄频带上也可获得不同温度下的频率响应.当温度定为4.4℃时,峰对应的频率低于0.1Hz;当温度升到6.8℃时,峰对应的频率也向较高频率移动到0.2Hz 左右;当温度继续升到10℃时,对应的频率达到0.8Hz 左右;当温度定为18℃时,根据峰的变化趋势对应的频率估计略高于10Hz .所以,当测定衰减的温度提高,峰频将向高频方向移动.这与图5的弛豫峰的频率增高、峰温向高温方向移动是一致的.这在材料科学中称之为时温等效原理,即升高温度与降低频率是等效的.从图5与图6的结果也可看出,变频和变温所反映的物理本质是一样的.下边就是我们利用式(4)计算图5与图6的温度峰和频率峰对应的频率和温度与实测值的比较.图5 石油饱和砂岩(12.41%)衰减温度谱图6 石油饱和砂岩(12.41%)衰减峰随温度的移动表1 关于温度谱和频率谱的实测值与理论值的比较谱类型实测值温度/℃频率/Hz 理论值温度/℃频率/Hz 差 值温度/℃频率/Hz 频率谱 6.80.218 6.80.0950.123100.8100.3950.405温度谱80.58.80.50.810.21.07710.7 1.0770.512.42.32112.7 2.3210.314514.6 5.00.6 由表1可以看出,频率谱上保持温度相同时测得的两个衰减频率峰的峰频与计算值差值最大约为0.4Hz .在温度谱上有4个频率的衰减温度峰,其峰位的温度值与计算值最大之差约为0.8℃.从差值看来似乎不大,但从式(3)可知,当温度有少许变化就会引起相应于频率数量级的变化,加之式(3)其它项引进的误差影响,累计的影响也会不小.因此,要证实时温对应原理是否适用于岩石材料还需作进一步深入细致的研究,进行大量岩石标本的测试,460 地 震 学 报 19卷对比分析,在设备方面尤其需要提高测温的精度.3结论与讨论通过粘弹谱仪对饱和流体砂岩动态力学性能进行测试和研究,取得了饱和泵油砂岩的动态力学频率谱和动态力学温度谱.无论从频率谱还是温度谱上均获得一弛豫衰减峰.相应的复模量在衰减弛豫峰附近也有大的亏损和频散.随着频率增高,频散特性增强.饱和石油砂岩的频散程度比干燥砂岩频散程度更强.饱和泵油砂岩衰减峰的特征随着砂岩孔隙度而变化.衰减量随孔隙度的增加而增大,衰减峰的峰高随孔隙度的增加而增高,峰宽随孔隙度的增加而变窄.衰减与孔隙度具有良好的线性关系.本文基于变频测量需要测试仪器具有极宽的频率范围才能满足我们的需要,由于目前还很难做到这一点,所以实际上变频测试条件是达不到地球物理的要求的.因此,我们借用材料科学的时温等效原理,试图将定温变频测量改为定频变温测量.如果可行,就可通过衰减-温度谱而获得不同的衰减温度峰的峰温对应的频率响应.根据我们试探的结果认为,时温对应原理看来是存在的,但要用于岩石材料还需慎重,并还有许多工作要做.首先是温度的小小变化( T )对应于频率数量级的变化( ln f ),所以,对温度测量精度要求很高,否则就将失去意义;其次,还需通过大量岩石标本的试验来检验它在岩石材料中的适用性,引起的误差是否在地球物理允许的误差范围内.参 考 文 献席道瑛,刘爱文,刘卫,1995.低频条件下饱和流体砂岩的衰减研究.地震学报,17(4):585~591Grant A G,1994.Fluid effects on velocity and atten uation in sandstones.J A coust S oc A mer ,96(2):1158~1173Klimentos T ,M accann C ,1990.Relationsh ips among comp res sional w ave atten uation ,porosity ,clay content ,and per-meability in sandstones.Geop hy sics ,55(8):998~1014Wh ite J E,Boit G,1986.T heory of extension w aves in p or ou s rods.Geop hy sics ,51(3):742~7454615期 席道瑛等:饱和多孔岩石应力波的衰减特性 。