地应力作用下复杂岩体中弹性波传播规律研究

Since in-situ rock masss are under complex geostress state,it is difficult to get useful informations from in-situ acoustic and seismic testing results, which greatly affects the rock mass evaluation and Engineering design and construction. This project seeks to find ways to solve this problem. In the experimental research, influences of micro- and meso-structure in rock mass to the elastic wave velocity are investigated for rocks in complicated stress states, including in the loading process and in the unloading process. The hysteresis effects in unloading peocess are studied. This has yet to see a mature work. In the theoretical research, the multical scale analysis method is employed to overcome the difficulies of existing theories. At the meso scale, a "double defects" system, which consists of two cracks, two hlos, or one crack and one hole, is used to study the scattering behavior in complicated rock mass. At the macro scale, the equivalent media theory is used to study the wave propagation in "double defects" rock under complicated stress state. This theoretical research may lead to a powerful in-situ testing technology. To explore the possibility of using the acoustic and seismic method to measure the geostress, a dimensional analysis method is introduced to simplify this process. The multi scale analysis in the present project can be used to describe strong dispersion and attenuation problem, which greatly promote the research of rock physics model and promote the development and improvement of seismic theory.The wave responses revealed in the present project for rock mass under complicated geostress is of important practical significance to hydraulic engineering, mining engineering and geophysics.

原位岩体处于复杂地应力状态，现场声波和地震波测试结果非常复杂，严重影响到岩体评价和工程设计与施工。本项目试图探索解决此困境的途径。实验方面研究复杂应力状态（包括加卸荷过程）下，岩体中细观结构对弹性波传播规律的影响，以及卸荷的时间效应。此方面尚未见成熟工作。为克服现行理论的困难，理论研究采用多尺度分析思想，细观上研究岩体中的双裂纹、双孔洞及孔洞-裂纹组成的双"缺陷"体系对波的散射效应，宏观上则采用等效介质分析方法，研究复杂应力状态下波在"双缺陷"介质中的传播，以形成科学的现场测试技术。为探讨应用现场声波和地震波技术测试地应力水平的可能性，将引入量纲理论分析方法，结合上述理论进行更深入理论研究。本申请的多尺度模型可描述强频散问题，极大促进岩石物理理论模型的研究，推动地震波理论的发展和完善。本研究揭示的在复杂地应力状态下岩体的波动响应规律，对水利工程、矿山工程、物探等领域有十分重要的实用意义。

为研究复杂地应力作用下岩体中弹性波波速与载荷之间的关系，本项目在理论、数值分析，和实验方面进行了较系统的探索。主要研究结果如下：(1)弹性波散射理论方面，从岩体中局部的细微观缺陷出发，基于波动方程的Green函数解和边界积分方法，建立了研究复杂介质中弹性波传播的频散效应和尺度效应的“双椭圆裂纹”模型。由此，研究了含不同尺寸分布的缺陷的岩体中的弹性波频散特性；考虑三种内边界载荷条件，研究了内边界载荷对弹性波频散效应的影响。(2)量纲理论分析与工程应用研究方面，基于无量纲分析方法，得到了一个含三个参数的、可描述外载荷作用的弹性波波速的频散表达式，将此频散表达式分别与Hashin- Shtrikman下限模型和Hashin-Shtrikman上限模型相结合，可以进行很好地描述复杂介质中各种细观成分胶结不好和胶结较好等情况。此方法可初步用于工程分析。(3)载荷作用下模型材料弹性波散射特性实验研究方面，采用三种频率的声波探头，对准静态加载过程中的泡沫铝、EPS混凝土、钢纤维水泥砂浆等三种典型材料进行不同频率下声波波速测试，提出了相对波速分析方法。结合高速摄影与数值散斑技术，探索了宏观声波波速的变化与细微观结构的变化的关系。(4)离散元数值分析方面，建立了从微观到细观到宏观的多尺度离散元计算方法。微观尺度为基本粒子，细观尺度为由基本粒子组成的团簇，宏观尺寸为由团簇组成的代表单元。结合动态实验，系统分析了多种应力状态下岩石材料的动态破碎过程，以及波在复杂介质中的传播规律。(5)为实现复杂应力状态，以研究复杂应力状态下岩体中波的传播特性，形成了研究压剪联合作用下动态实验技术、基于真三轴静载的岩石动态实验技术，以及联系岩石宏观响应与细微观结构演化的动态数值散斑分析技术。