基于实测爆破振动时程曲线的岩体波动参数反演研究

来源 :武汉大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuchy2008
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钻孔爆破以其施工的经济、高效性等优点被广泛应用于水利水电工程、矿山开采、交通及市政建设等众多工程领域。爆破开挖过程中,不可避免地会引起爆破地震效应,其中,爆破地震波对传播路径上建(构)筑物及设施设备所造成的危害越来越受到人们的关注。在爆破地震负面效应研究领域中,岩体介质波动参数的确定问题是国内外科研工作者一直关注的热点问题之一。岩体波动参数主要包括地震波传播速度、动弹性模量、动泊松比及衰减参数等,上述参数的准确快速获取对爆炸等动荷载作用下岩体破坏过程分析、动力响应计算和影响评价及地震波的传播衰减规律等研究起着重要作用,并且直接关系到计算分析结果的准确性。传统的岩体介质参数的获取主要基于室内试验及原位检测方法获得,但由于岩体尺度效应的影响,获取的参数仅能反映试验区域内局部的岩体性质。此外,当前爆破地震波衰减参数的确定中,也未考虑波型的不同。鉴于爆破振动监测的便捷且经济性,开展基于实测爆破振动的岩体波动参数反演研究,同时分析不同类型波衰减参数的差异,一方面有助于丰富岩体参数原位检测的手段,另一方面也有助于更准确地认识与理解爆破地震波的传播与衰减规律,具有理论及现实的双重意义。论文针对“基于实测爆破振动时程曲线的岩体波动参数反演研究”这一课题,采用理论分析、数值计算和工程实例分析相结合的方法,开展了系统研究,主要研究内容和研究成果如下:通过分析噪声信号、P波信号和S波信号在能量、频率及偏振特性方面的差异,提出了改进的适用于实测爆破振动信号的P波和S波初至点识别方法。对于P波初至的识别,在STA/LTA方法基础上,引入振动总能量特征函数,可最大限度的降低噪声信号对P波初至点的影响,极大地提高了低信噪比条件下P波的识别精度,同时通过引入权重系数w,获取识别函数的特征曲线,其最大值对应位置即为P波初至位置,进而消除阈值选取对识别结果的影响;对于S波初至点的识别,则在P波初至识别的基础上,通过分析偏转角、偏振度及横向能量和总能量比值三个参数的变化,并结合识别权重系数构造了S波的识别特征函数,进而实现S波初至点的拾取。数值计算与工程实例的分析结果均表明,该方法对P波及S波的拾取误差可控制在4%以内,可较好的应用于工程尺度下爆破地震波的震相识别。利用弹性波基础理论,推导了爆破地震波传播速度与岩体动力学参数之间的关系式,并在P波和S波震相初至识别的基础上,提出了基于实测爆破振动信号分析的岩体波动参数反演方法,同时将该方法应用于两个工程实例中岩体波动参数的确定。该岩体波动参数反演方法的核心包括三个方面的内容:(1)爆破振动波形中P波和S波初至点的识别;(2)基于P波和S波的到达时差确定地震波传播速度;(3)基于地震波的传播速度反演计算岩体动力学参数。该方法不仅丰富了岩体参数原位检测的方法,且相比传统的原位检测技术,其可获取大范围内岩体的动力学参数,可以更好地对现场岩体的性能进行评价,同时可辅助识别岩体中如断层破碎带或软弱结构面等地质缺陷点的位置。工程实例分析结果表明,基于该方法所获得的岩体动力学参数是合理可靠的,证明了该方法的有效性。针对R波的低频、低速和携带大部分振动能量的特征,提出了一种基于R波压制的波成分分离方法,并利用数值模拟手段对该方法进行了验证。基于R波压制的波成分分离方法的关键技术为:(1)通过S-变换,将实测的爆破振动信号由时-空域转换到时-频域;(2)依据R波的特性,在时-频域内构造R波滤波器,并实施滤波处理;(3)将已获得的时-频域内的分离信号,经逆变换转换至时-空域。数值计算的结果表明,本文提出的波成分分离方法能够实现R波的有效压制和提取,且不破坏低频体波信号。利用工程现场的实测爆破振动数据,借助基于R波压制的波成分分离方法,分析了爆破地震波中不同类型波的衰减参数,同时讨论了由波型转换引起的岩体衰减参数的离散性。对于岩体品质因子Q,不区分波型的总体品质因子Q和不同类型波的品质因子有显著差别,两个工程现场P波的岩体品质因子QP均低于R波的品质因子QR,表明不同类型波在岩体中具有不同的耗损吸收速率。对于爆破振动衰减系数,不区分波型的总体衰减系数(K和α)和不同类型波的衰减系数也有显著差别,实测爆破振动数据的拟合结果表明,竖直向振动中R波的衰减速度αR比P波的衰减速度αP降低20%~30%,即竖直向振动中的主导波型会随波的传播,由P波转换为R波;不区分波型的峰值振速的拟合相关系数和振动预测精度均低于单独的P波或R波峰值振速的拟合相关系数和预测精度,应归因于不同距离处爆破振动中主导波型的转换。
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