考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法

本发明涉及岩石裂隙波速，尤其是涉及考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法。

背景技术：

1、天然随机裂隙的发育特征及对围岩稳定性影响的复杂程度受到了广泛关注，但是大部分的研究多集中于规则发育裂隙的力学特征和破裂机制，针对非均质裂隙灰岩在不同围压条件下的波速演化规律及其破坏预测方法仍缺乏系统研究。特别是对于含原生裂隙的非均质岩石而言，其内部随机裂隙结构与应力条件共同作用，使波速表现出方向性和复杂变化规律，特别是在围压作用下，裂隙闭合与扩展过程将进一步影响波速传播特征，从而增加了破坏预测的复杂性。传统的波速模型简单将波速进行穿过岩石裂隙进行计算波速特性，计算简化了许多关键参数，得到的结果为理想结果与实际差距较大。基于此，本发明以非均质裂隙灰岩为研究对象，建立考虑围压影响的环向波速理论预测模型，实现对随机裂隙灰岩破坏行为的预测与识别表征。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法，建立基于椭圆裂隙等效的岩石裂隙波速各向异性模型，揭示了围压作用下及裂隙方向对波速的影响。

2、为实现上述目的，本发明提供了考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法，包括以下步骤：

3、s1、将岩石内部随机分布的微裂隙等效为二维椭圆裂隙，椭圆裂隙具有长轴和短轴；

4、s2、基于超声波沿岩石基质绕裂隙传播的绕射路径，建立表观波速与绕行路径长度之间的几何关系，表观波速为探头间直线距离与超声波实际绕行传播时间之比；

5、s3、引入围压对椭圆裂隙短轴的压缩效应，建立围压作用下的短轴半长的定量表达式；

6、s4、根据绕射路径几何关系和围压压缩后的短轴半长，预测不同传播方向下的岩石表观波速，并确定波速最大值方向为裂隙长轴方向、波速最小值方向为裂隙短轴方向。

7、优选的，s2中表观波速为：

8、

9、式中，为岩石直径，为超声波在岩石基质中的传播速度，为线段ac的长度，为线段bc的长度为，为测试角；

10、和表示为：

11、

12、

13、

14、式中，为裂纹面上距离直线传播最远的点与裂纹短轴的夹角。

15、优选的，s3中被压缩后的短轴半长为：

16、

17、式中，为泊松比，为岩石弹性模量。

18、优选的，s3中围压作用于裂隙短轴方向时，对裂隙施加法向闭合压力，使裂隙发生收缩闭合，压缩响应：

19、

20、式中，为面法向刚度。

21、优选的，s3中围压对裂隙施加反向mode-i载荷，使其应力强度因子sif降低，椭圆裂隙在远场应力与围压共同作用下，其i型sif写为：

22、

23、式中，为几何修正函数；

24、mode-i张开位移满足：

25、

26、式中，为张开位移，为泊松比，为椭圆裂隙长轴。

27、优选的，s4中短轴的压缩幅度随围压增大呈线性增加，围压达到使趋近于零时，裂隙趋于闭合。

28、优选的，s4中椭圆裂隙的长轴调节波速各向异性的敏感性，长短轴比越大，波速随方向变化的敏感性越强。

29、因此，本发明采用上述考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法，揭示了围压作用下及裂隙方向对波速的影响，波速随传播方向呈各向异性变化，当传播方向与裂隙延伸方向一致时，裂隙界面形成导波通道，使波速达到最大；而当传播方向垂直裂隙时，波需穿越裂隙界面，导致散射与能量损失增强，从而使波速降低，可快速、非破坏性地识别岩体主裂隙的优势延伸方向和地应力释放主导方向，为岩体工程中的结构面评价提供了简便有效的探测手段。为边坡工程、巷道开挖及冲击地压预测中岩体力学状态的实时监测和破坏前兆识别提供关键的力学理论基础。

30、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

1.考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法，其特征在于：s2中表观波速为：

3.根据权利要求2所述的考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法，其特征在于：s3中被压缩后的短轴半长为：

4.根据权利要求3所述的考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法，其特征在于：s3中围压作用于裂隙短轴方向时，对裂隙施加法向闭合压力，使裂隙发生收缩闭合，压缩响应：

5.根据权利要求4所述的考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法，其特征在于：s3中围压对裂隙施加反向mode-i载荷，使其应力强度因子sif降低，椭圆裂隙在远场应力与围压共同作用下，其i型sif写为：

6.根据权利要求5所述的考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法，其特征在于：s4中短轴的压缩幅度随围压增大呈线性增加，围压达到使趋近于零时，裂隙趋于闭合。

7.根据权利要求6所述的考虑围压效应的随机裂隙岩石波速各向异性模型构建方法，其特征在于：s4中椭圆裂隙的长轴a调节波速各向异性的敏感性，长短轴比a/b越大，波速随方向变化的敏感性越强。