巖石三階彈性模量的高精度測定方法
2023-10-10 07:38:44 1
專利名稱：巖石三階彈性模量的高精度測定方法
技術領域：
本發明涉及一種，尤其涉及一種巖石三階彈性模量的高精度測定方法。
背景技術：
巖石的三階彈性模量用來描述巖石本構關係的非線性，對於研究巖石的非線性現象 (如巖石的聲彈現象)具有極其重要的作用。對於一般各向異性巖石，具有21個獨立二階 彈性模量和56個獨立三階彈性模量。在實際工程應用中，通常將巖石近似簡化為各向同 性介質，則獨立的二階彈性模量有兩個，通常表示為Lame常數^和A;獨立的三階彈性模 量有三個，通常表示為Murnaghan常數Z，附，"。
現有技術中，巖石三階彈性模量的測定主要通過測量超聲波手段來實現，主要有單 軸壓縮法、靜水壓力法、諧波生成法等，其中
單軸壓縮法和靜水壓力法通過測量單軸和靜水加載條件下巖樣的超聲波速度的變 化，利用單軸和靜水加載條件下巖石的聲彈關係，得出巖石的三階彈性模量；
諧波生成法是測量單頻超聲波在固體傳播過程中所形成的高階諧波分量，通過比較 高階諧波和基本諧波的幅值，得出三階彈性模量的線性組合。 上述現有技術至少存在以下缺點
諧波生成法和靜水壓力法必須組合起來才能完整測定巖樣的三階彈性模量，並且對
測試設備要求比較高，精度低、費時費力；
單軸壓縮法通常採用脈衝回波方法測量垂直於長方體試樣單軸加載方向的超聲波速 度變化。對於標準巖石試樣來說，垂直於單軸加載方向的尺寸通常為5cm，而巖石介質對
高頻超聲波的高衰減致使很難測量到有效的脈衝回波信號。如果減小超聲波傳播距離， 則單軸壓縮條件下巖樣的穩定性很差。
發明內容
本發明的目的是提供一種精度高、穩定性好的巖石三階彈性模量的高精度測定方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的 本發明的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，包括-首先，給薄板巖樣側面施加雙向比例荷載；
然後，將兩個壓電超聲探頭分別粘貼在所述薄板巖樣中心部位的上表面和下表面 上，所述兩個壓電超聲探頭分別為縱波探頭和橫波直探頭；
之後，通過超聲脈衝發射接收儀發射的脈衝信號經過所述壓電超聲探頭垂直入射到 所述薄板巖樣中，經過相對表面反射的回波信號被該壓電超聲探頭接收，輸入到所述超 聲脈衝發射接收儀中，並輸出測量信號到示波器，並通過測量多次回波同相位信號的時 間差來確定沿所述薄板巖樣厚度方向傳播的超聲波波速的測量值；
改變所述雙向荷載，重複上述步驟至少一次，依據不同雙向加載條件下巖樣的超聲 波速的測量值和計算值，使所述超聲波速的測量值和計算值之差的平方和最小，反演出 所述巖樣的三階彈性模量。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所述的巖石三階彈性模量的高精度 測定方法，由於通過脈衝回波法測量雙向比例加載條件下沿薄板巖樣厚度方向傳播的超 聲縱橫波波速；依據不同加載條件下巖樣的縱橫波波速測量值和計算值，使波速測量值 和計算值之差的平方和最小，從而高精度反演出巖樣的三階彈性模量，精度高、穩定性 好。
圖l為本發明中薄板巖樣在雙向加載條件下的脈衝回波測量示意圖； 圖2為本發明中脈衝回波法測量的多次回波示意圖。
具體實施例方式
本發明的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其較佳的具體實施方式
如圖l所示， 包括
首先，給薄板巖樣側面施加雙向比例荷載，薄板巖樣可以為矩形或正方形，所述雙 向比例載荷的加載方向可以為所述薄板巖樣的長、寬方向，水平加載、相互垂直，雙向
比例荷載的比例可以為1:2 2:1;
然後，將兩個壓電超聲探頭分別粘貼在所述薄板巖樣中心部位的上表面和下表面 上，所述兩個壓電超聲探頭分別為縱波探頭和橫波直探頭。其中，橫波直探頭的截面尺 寸可以為方形，其偏振方向與雙向比例載荷的加載的方向相一致。
之後，通過超聲脈衝發射接收儀發射的脈衝信號經過所述壓電超聲探頭垂直入射到 所述薄板巖樣中，經過相對表面反射的回波信號被該壓電超聲探頭接收，輸入到所述超 聲脈衝發射接收儀中，並輸出測量信號到示波器，並通過測量多次回波同相位信號的時 間差來確定沿所述薄板巖樣厚度方向傳播的超聲波波速的測量值，包括縱波超聲波速和橫波超聲波速；
改變所述雙向荷載，重複上述步驟至少一次，依據不同雙向加載條件下巖樣的超聲 波速的測量值和計算值，使所述超聲波速的測量值和計算值之差的平方和最小，反演出 所述巖樣的三階彈性模量。
對於雙向比例加載條件下沿薄板巖樣厚度方向傳播的超聲波的波速和加載應力之間 的關係為
A)〖:2 =義+ 2// + (/1 + 2/)€" + 2(/1 + 3〃 + 2w)e;3
(1)
式中^為縱波波速，^n為偏振方向沿水平方向的橫波波速；^、《2、 ^分別為
巖樣在雙向加載條件下水平、垂直、厚度方向的應變；《"為三個方向的應變之和；2和 ^為巖樣的二階彈性模量；I附，"為巖樣的三個獨立的三階彈性模量。
具體反演所述巖樣的三階彈性模量的步驟可以包括
利用無應力狀態下砂巖波速，得到所述巖樣的二階彈性模量；
依據不同加載條件下巖樣的縱、橫波波速的測量值Vm和根據公式(1)的計算值Vc， 取目標函數為
/( ,附,")=|;(^"—")2/2
"=i (2) 利用最小二乘法，取目標函數最小值，得出所述巖樣的三階彈性模量。
本發明通過脈衝回波法測量雙向比例加載條件下沿薄板巖樣厚度方向傳播的超聲縱 橫波波速的變化，來高精度測定巖樣的三階彈性模量，不僅可以保證有效脈衝回波信號 的接收，而且還可以保證加載巖樣的穩定性。
具體實施例
如圖1所示，為具體實施例的雙軸加載條件下薄板巖樣三階彈性模量測量的脈衝回波
法示意圖，薄板巖樣尺寸長寬為分別為20cm和20cm，厚度為2-3cm。通過雙向加載實驗機 在長寬方向給巖樣施加等比列(雙方向荷載比例為1:2 2:1)雙向荷載；為了減少巖樣 可能存在非均質的影響，壓電超聲探頭通過耦合劑分別粘貼在巖樣中心部位的相對表面 上，從而保證巖樣同一點的縱橫波波速測量。
壓電超聲探頭尺寸一般要小於5mm，頻率一般在1MHZ。其中一個超聲探頭為超聲橫波 直探頭(商用的橫波探頭為斜探頭，從而無法實現單發單收的脈衝回波法)，截面尺寸為方形，其偏振方向與水平加載應力方向相一致，從而保證橫波能夠垂直入射巖樣表 面，並且保證同一個探頭能夠垂直接收從相對表面反射回來的回波信號。另外一個探頭 為縱波超聲探頭。
超聲脈衝發射接收儀所發射的高能脈衝信號經過超聲探頭垂直入射到巖樣中，經過 相對表面反射的回波信號被同一個超聲探頭接收，輸入到超聲脈衝發射接收儀中並輸出 測量信號到示波器。
如圖2所示，壓電超聲探頭通過高阻尼被襯，使壓電探頭的振動快速衰減，從而能夠 清晰地識別多次回波信號。通過測量多次回波信號的時間差來確定巖樣的超聲波波速， 克服了耦合劑和測量電路對超聲走時差的影響，從而保證了波速測量的高精度測量。
利用該方法測量了在雙向加載條件下巖樣的縱、橫波波速。利用無應力狀態下砂巖 波速，可得到巖樣的二階彈性模量。依據不同加載條件下巖樣的縱、橫波波速測量值和 公式(1)的計算值Vc，採用目標函數(2)，利用最小二乘法，取目標函數最小值，反 演得出巖樣的三階彈性模量。
本發明通過脈衝回波法測量雙向比例加載條件下沿薄板巖樣厚度方向傳播的超聲縱 橫波波速；依據不同加載條件下巖樣的縱橫波波速測量值和雙向比例加載條件下沿薄板 巖樣厚度方向傳播的波速計算值，使波速測量值和計算值之差的平方和最小，從而高精 度反演出巖樣的三階彈性模量，實現了巖樣三階彈性模量的簡便高精度測量，從而為巖 石聲彈性研究和應用提供了技術保障。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替 換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特徵在於，包括首先，給薄板巖樣側面施加雙向比例荷載；然後，將兩個壓電超聲探頭分別粘貼在所述薄板巖樣中心部位的上表面和下表面上，所述兩個壓電超聲探頭分別為縱波探頭和橫波直探頭；之後，通過超聲脈衝發射接收儀發射的脈衝信號經過所述壓電超聲探頭垂直入射到所述薄板巖樣中，經過相對表面反射的回波信號被該壓電超聲探頭接收，輸入到所述超聲脈衝發射接收儀中，並輸出測量信號到示波器，並通過測量多次回波同相位信號的時間差來確定沿所述薄板巖樣厚度方向傳播的超聲波波速的測量值；改變所述雙向荷載，重複上述步驟至少一次，依據不同雙向加載條件下巖樣的超聲波速的測量值和計算值，使所述超聲波速的測量值和計算值之差的平方和最小，反演出所述巖樣的三階彈性模量。
2、 根據權利要求l所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特徵在於，所述 超聲波速包括縱波超聲波速和橫波超聲波速。
3、根據權利要求2所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特徵在於，對於 雙向比例加載條件下沿薄板巖樣厚度方向傳播的超聲波的波速和加載應力之間的關係為formula see original document page 2式中^為縱波波速，^'為偏振方向沿水平方向的橫波波速；^、《2、《3分別為巖樣在雙向加載條件下水平、垂直、厚度方向的應變；《"為三個方向的應變之和；A和 ^為巖樣的二階彈性模量；/，附，"為巖樣的三個獨立的三階彈性模量。
4、根據權利要求3所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特徵在於，反演所述巖樣的三階彈性模量的步驟包括利用無應力狀態下砂巖波速，得到所述巖樣的二階彈性模量；依據不同加載條件下巖樣的縱、橫波波速的測量值Vm和根據公式(1)的計算值Vc， 取目標函數為-formula see original document page 2利用最小二乘法，取目標函數最小值，得出所述巖樣的三階彈性模量。
5、 根據權利要求l所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特徵在於，所述 薄板巖樣為矩形或正方形，所述雙向比例載荷的加載方向為所述薄板巖樣的長、寬方 向。
6、 根據權利要求5所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特徵在於，所述 橫波直探頭的截面尺寸為方形，其偏振方向與所述雙向比例載荷的加載的方向相一致。
7、 根據權利要求6所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特徵在於，所述 雙向比例荷載的比例為1: 2 2:1 。
全文摘要
本發明公開了一種巖石三階彈性模量的高精度測定方法，該方法通過脈衝回波法測量雙向比例加載條件下沿薄板巖樣厚度方向傳播的超聲縱橫波波速；依據不同加載條件下巖樣的縱橫波波速測量值和計算值，使波速測量值和計算值之差的平方和最小，從而高精度反演出巖樣的三階彈性模量。雙向比例加載條件下薄板巖樣方案不僅可以保證有效脈衝回波信號的接收，而且還可以保證加載巖樣的穩定性，實現了巖樣三階彈性模量的簡便高精度測量，從而為巖石聲彈性研究和應用提供了技術保障。
文檔編號G01N3/08GK101650284SQ20091009268
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月15日 優先權日2009年9月15日
發明者田家勇 申請人:中國地震局地殼應力研究所