專利名稱：巖石三階彈性模量的高精度測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
巖石的三階彈性模量用來描述巖石本構(gòu)關(guān)系的非線性，對(duì)于研究巖石的非線性現(xiàn)象 (如巖石的聲彈現(xiàn)象)具有極其重要的作用。對(duì)于一般各向異性巖石，具有21個(gè)獨(dú)立二階 彈性模量和56個(gè)獨(dú)立三階彈性模量。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常將巖石近似簡化為各向同 性介質(zhì)，則獨(dú)立的二階彈性模量有兩個(gè)，通常表示為Lame常數(shù)^和A;獨(dú)立的三階彈性模 量有三個(gè)，通常表示為Murnaghan常數(shù)Z，附，"。
現(xiàn)有技術(shù)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(shí)現(xiàn)，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(guān)系，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(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)
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，并且對(duì)
測試設(shè)備要求比較高，精度低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力；
單軸壓縮法通常采用脈沖回波方法測量垂直于長方體試樣單軸加載方向的超聲波速 度變化。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣來說，垂直于單軸加載方向的尺寸通常為5cm，而巖石介質(zhì)對(duì)
高頻超聲波的高衰減致使很難測量到有效的脈沖回波信號(hào)。如果減小超聲波傳播距離， 則單軸壓縮條件下巖樣的穩(wěn)定性很差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種精度高、穩(wěn)定性好的巖石三階彈性模量的高精度測定方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)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(cè)面施加雙向比例荷載；
然后，將兩個(gè)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(gè)壓電超聲探頭分別為縱波探頭和橫波直探頭；
之后，通過超聲脈沖發(fā)射接收儀發(fā)射的脈沖信號(hào)經(jīng)過所述壓電超聲探頭垂直入射到 所述薄板巖樣中，經(jīng)過相對(duì)表面反射的回波信號(hào)被該壓電超聲探頭接收，輸入到所述超 聲脈沖發(fā)射接收儀中，并輸出測量信號(hào)到示波器，并通過測量多次回波同相位信號(hào)的時(shí) 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，重復(fù)上述步驟至少一次，依據(jù)不同雙向加載條件下巖樣的超聲 波速的測量值和計(jì)算值，使所述超聲波速的測量值和計(jì)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(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的巖石三階彈性模量的高精度 測定方法，由于通過脈沖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(jù)不同加載條件下巖樣的縱橫波波速測量值和計(jì)算值，使波速測量值 和計(jì)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(wěn)定性 好。


圖l為本發(fā)明中薄板巖樣在雙向加載條件下的脈沖回波測量示意圖； 圖2為本發(fā)明中脈沖回波法測量的多次回波示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)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(shí)施方式
如圖l所示， 包括
首先，給薄板巖樣側(cè)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;
然后，將兩個(gè)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(gè)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。
之后，通過超聲脈沖發(fā)射接收儀發(fā)射的脈沖信號(hào)經(jīng)過所述壓電超聲探頭垂直入射到 所述薄板巖樣中，經(jīng)過相對(duì)表面反射的回波信號(hào)被該壓電超聲探頭接收，輸入到所述超 聲脈沖發(fā)射接收儀中，并輸出測量信號(hào)到示波器，并通過測量多次回波同相位信號(hào)的時(shí) 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，重復(fù)上述步驟至少一次，依據(jù)不同雙向加載條件下巖樣的超聲 波速的測量值和計(jì)算值，使所述超聲波速的測量值和計(jì)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(duì)于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(yīng)力之間 的關(guān)系為
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(yīng)變；《"為三個(gè)方向的應(yīng)變之和；2和 ^為巖樣的二階彈性模量；I附，"為巖樣的三個(gè)獨(dú)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(yīng)力狀態(tài)下砂巖波速，得到所述巖樣的二階彈性模量；
依據(jù)不同加載條件下巖樣的縱、橫波波速的測量值Vm和根據(jù)公式(1)的計(jì)算值Vc， 取目標(biāo)函數(shù)為
/( ,附,")=|;(^"—")2/2
"=i (2) 利用最小二乘法，取目標(biāo)函數(shù)最小值，得出所述巖樣的三階彈性模量。
本發(fā)明通過脈沖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沖回波信號(hào) 的接收，而且還可以保證加載巖樣的穩(wěn)定性。
具體實(shí)施例
如圖1所示，為具體實(shí)施例的雙軸加載條件下薄板巖樣三階彈性模量測量的脈沖回波
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(shí)驗(yàn)機(jī) 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(zhì)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(duì)表面 上，從而保證巖樣同一點(diǎn)的縱橫波波速測量。
壓電超聲探頭尺寸一般要小于5mm，頻率一般在1MHZ。其中一個(gè)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(shí)現(xiàn)單發(fā)單收的脈沖回波法)，截面尺寸為方形，其偏振方向與水平加載應(yīng)力方向相一致，從而保證橫波能夠垂直入射巖樣表 面，并且保證同一個(gè)探頭能夠垂直接收從相對(duì)表面反射回來的回波信號(hào)。另外一個(gè)探頭 為縱波超聲探頭。
超聲脈沖發(fā)射接收儀所發(fā)射的高能脈沖信號(hào)經(jīng)過超聲探頭垂直入射到巖樣中，經(jīng)過 相對(duì)表面反射的回波信號(hào)被同一個(gè)超聲探頭接收，輸入到超聲脈沖發(fā)射接收儀中并輸出 測量信號(hào)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(dòng)快速衰減，從而能夠 清晰地識(shí)別多次回波信號(hào)。通過測量多次回波信號(hào)的時(shí)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(duì)超聲走時(shí)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(yīng)力狀態(tài)下砂巖 波速，可得到巖樣的二階彈性模量。依據(jù)不同加載條件下巖樣的縱、橫波波速測量值和 公式(1)的計(jì)算值Vc，采用目標(biāo)函數(shù)(2)，利用最小二乘法，取目標(biāo)函數(shù)最小值，反 演得出巖樣的三階彈性模量。
本發(fā)明通過脈沖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(jù)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(jì)算值，使波速測量值和計(jì)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(shí)現(xiàn)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(yīng)用提供了技術(shù)保障。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替 換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特征在于，包括首先，給薄板巖樣側(cè)面施加雙向比例荷載；然后，將兩個(gè)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(gè)壓電超聲探頭分別為縱波探頭和橫波直探頭；之后，通過超聲脈沖發(fā)射接收儀發(fā)射的脈沖信號(hào)經(jīng)過所述壓電超聲探頭垂直入射到所述薄板巖樣中，經(jīng)過相對(duì)表面反射的回波信號(hào)被該壓電超聲探頭接收，輸入到所述超聲脈沖發(fā)射接收儀中，并輸出測量信號(hào)到示波器，并通過測量多次回波同相位信號(hào)的時(shí)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，重復(fù)上述步驟至少一次，依據(jù)不同雙向加載條件下巖樣的超聲波速的測量值和計(jì)算值，使所述超聲波速的測量值和計(jì)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(jù)權(quán)利要求l所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特征在于，所述 超聲波速包括縱波超聲波速和橫波超聲波速。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特征在于，對(duì)于 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(yīng)力之間的關(guān)系為<formula>formula see original document page 2</formula>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(yīng)變；《"為三個(gè)方向的應(yīng)變之和；A和 ^為巖樣的二階彈性模量；/，附，"為巖樣的三個(gè)獨(dú)立的三階彈性模量。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特征在于，反演所述巖樣的三階彈性模量的步驟包括利用無應(yīng)力狀態(tài)下砂巖波速，得到所述巖樣的二階彈性模量；依據(jù)不同加載條件下巖樣的縱、橫波波速的測量值Vm和根據(jù)公式(1)的計(jì)算值Vc， 取目標(biāo)函數(shù)為-<formula>formula see original document page 2</formula>利用最小二乘法，取目標(biāo)函數(shù)最小值，得出所述巖樣的三階彈性模量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特征在于，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?yàn)樗霰“鍘r樣的長、寬方 向。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求6所述的巖石三階彈性模量的高精度測定方法，其特征在于，所述 雙向比例荷載的比例為1: 2 2:1 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖石三階彈性模量的高精度測定方法，該方法通過脈沖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(jù)不同加載條件下巖樣的縱橫波波速測量值和計(jì)算值，使波速測量值和計(jì)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沖回波信號(hào)的接收，而且還可以保證加載巖樣的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)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(yīng)用提供了技術(shù)保障。
文檔編號(hào)G01N3/08GK101650284SQ20091009268
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者田家勇 申請(qǐng)人:中國地震局地殼應(yīng)力研究所