一种测试岩体结构面接触刚度的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地质学和力学的技术领域，具体地涉及一种测试岩体结构面接触刚度 的方法，以及使用该方法的装置。
【背景技术】
[0002] 地质体中存在大量断层、节理、劈理等结构面，上述结构面的力学性质将直接影响 地质体的稳定程度及潜在的失稳破坏模式。结构面的力学性质包括结构面法向接触刚度、 切向接触刚度、粘聚力、内摩擦角及抗拉强度等。在上述结构面的力学性质中，结构面的接 触刚度不仅影响地质体的静态应力应变关系，更直接影响地质体的动态力学行为，如应力 波在地质体中的传播规律、地质体在动载荷作用下的破坏演化规律等。
[0003] 目前，对于结构面粘聚力、内摩擦角及抗拉强度的测试及实验技术已经较为成熟， 如原位剪切实验，室内直剪实验、室内三轴实验及室内巴西劈裂实验等。但关于结构面接触 刚度的测试方法及分析技术较少，一般采用单轴压缩实验完成法向接触刚度的测试，采用 直剪实验完成切向接触刚度的测试。法向接触刚度测试时，首先测试完整岩块的法向刚度， 而后测试含结构面岩体的法向刚度（测试时结构面保持水平状态），最后根据相关公式计 算出结构面的法向接触刚度。切向接触刚度测试时，将结构面作为直剪面，通过对结构面上 下的完整部分施加切向载荷，观察结构面处的切向位移随切向力的变化规律，进而计算出 结构面的切向接触刚度。
[0004] 上述测试结构面接触刚度的方法只能在实验室完成，因此需要进行现场取样及试 件加工，工序较为复杂、对结构面扰动较大、且无法反映原岩应力对结构面刚度的影响。此 外，受实验设备的限制，待测试的试样及结构面尺寸一般在分米量级，无法测量大型结构面 的接触刚度。最后，上述方法测试的刚度值为结构面的静态刚度，当把此测试的刚度值用于 动态问题分析时，将存在较大的误差。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种测试岩体结构面接触 刚度的方法，其能够在野外直接对结构面岩体实施测量分析，测试精度高，测试工序简单， 能反映原岩应力对结构面刚度的影响，且可以测量大型结构面的接触刚度。
[0006] 本发明的技术解决方案是：这种测试岩体结构面接触刚度的方法，该方法包括以 下步骤：
[0007] (1)选取露头较好的结构面岩体作为测试区域，清除测试区域表面的粉尘及松散 破碎体；
[0008] (2)以岩体结构面为对称中心在两侧安装振动传感器，各振动传感器保持在一条 直线上；
[0009] (3)利用数据线将振动传感器与采集仪相连，打开采集仪使其处于采样状态；
[0010] (4)在岩体结构面的一侧进行锤击，并通过调整锤击方向产生沿着振动传感器连 线方向传播的纵波及横波；
[0011] (5)利用各振动传感器感知锤击产生的振动信号，并通过采集仪进行记录；
[0012] (6)根据各振动传感器的起振时间和距离，计算出完整岩体的纵波波速、横波波 速、纵波通过结构面的耗时、横波通过结构面的耗时；
[0013] (7)对测试区域所在的完整岩体的密度进行测试，并计算出完整岩体的弹性模量 及泊松比；
[0014] (8)借助数值方法进行反演分析，建立与测试区域相似的数值模型，完整岩体的密 度、弹性模量及泊松比均取现场实测参数；
[0015] (9)在数值模型的一侧施加冲击载荷，通过不断调整数值模型中结构面的法向接 触刚度和切向接触刚度获得应力波通过结构面的不同耗时，当应力波通过结构面的耗时与 步骤（6)的耗时一致时，此时的法向接触刚度和切向接触刚度为测试区域结构面的接触刚 度。
[0016] 还提供了一种使用这种测试岩体结构面接触刚度的方法的装置，其包括锤击工 具、若干振动传感器、采集仪、数据处理单元；
[0017] 振动传感器配置来以岩体结构面为对称中心在两侧安装，保持在一条直线上，感 知锤击产生的振动信号；
[0018] 采集仪配置来利用数据线与振动传感器相连，记录锤击产生的振动信号；
[0019] 锤击工具配置来在岩体结构面的一侧进行锤击，并通过调整锤击方向产生沿着振 动传感器连线方向传播的纵波及横波；
[0020] 数据处理单元配置来计算完整岩体的纵波波速、横波波速、纵波通过结构面的耗 时、横波通过结构面的耗时；计算完整岩体的弹性模量及泊松比；借助数值方法进行反演 分析，建立与测试区域相似的数值模型；不断调整数值模型中结构面的法向接触刚度和切 向接触刚度，当应力波通过结构面的耗时与纵波通过结构面的耗时、横波通过结构面的耗 时一致时，此时的法向接触刚度和切向接触刚度为测试区域结构面的接触刚度。
[0021] 本发明通过在结构面一侧分别按照垂直于结构面及平行于结构面两种方向锤击 岩体，使其分别产生沿着传感器连线方向传播的纵波及横波，借助采集仪捕捉各传感器感 知到的起振时间，根据各传感器间的距离计算完整岩体的纵波波速、横波波速、纵波通过结 构面的耗时及横波通过结构面的耗时，根据岩体的密度、纵波波速及横波波速计算完整岩 体的弹性模量及泊松比，利用数值计算方法对纵波及横波通过结构面的耗时进行分析计 算，通过不断调整数值模型中结构面的法向接触刚度及切向接触刚度，使得数值计算获得 的纵波耗时及横波耗时与已计算的耗时一致，此法向接触刚度及切向接触刚度即为测试区 域结构面的接触刚度，因此这种测试岩体结构面接触刚度的方法能够在野外直接对结构面 岩体实施测量分析，测试精度高，测试工序简单，能反映原岩应力对结构面刚度的影响，且 可以测量大型结构面的接触刚度。
【附图说明】
[0022] 图1示出了根据本发明的单结构面锤击实验系统布设图。
[0023] 图2不出了根据本发明的双结构面锤击实验系统布设图。
[0024] 图3示出了根据本发明的测试岩体结构面接触刚度的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0025] 从图3中可以看出，这种测试岩体结构面接触刚度的方法，该方法包括以下步骤：
[0026] (1)选取露头较好的结构面岩体作为测试区域，清除（利用毛刷等）测试区域表面 的粉尘及松散破碎体；
[0027] (2)以岩体结构面为对称中心在两侧安装振动传感器，各振动传感器保持在一条 直线上；
[0028] (3)利用数据线将振动传感器与采集仪相连，打开采集仪使其处于采样状态；
[0029] (4)在岩体结构面的一侧进行锤击，并通过调整锤击方向产生沿着振动传感器连 线方向传播的纵波及横波；
[0030] (5)利用各振动传感器感知锤击产生的振动信号，并通过采集仪进行记录；
[0031] (6)根据各振动传感器的起振时间和距离，计算出完整岩体的纵波波速、横波波 速、纵波通过结构面的耗时、横波通过结构面的耗时；
[0032] (7)对测试区域所在的完整岩体的密度进行测试，并计算出完整岩体的弹性模量 及泊松比；
[0033] (8)借助数值方法进行反演分析，建立与测试区域相似的数值模型，完整岩体的密 度、弹性模量及泊松比均取现场实测参数；
[0034] (9)在数值模型的一侧施加冲击载荷，通过不断调整数值模型中结构面的法向接 触刚度和切向接触刚度获得应力波通过结构面的不同耗时，当应力波通过结构面的耗时与 步骤（6)的耗时一致时，此时的法向接触刚度和切向接触刚度为测试区域结构面的接触刚 度。
[0035] 另外，所述结构面包括无厚度的干性结构面和含软弱夹层的结构面。
[0036] 另外，所述结构面每侧的振动传感器数量大于等于2支，结构面同侧传感器的间 距大于等于50cm，结构面两侧离结构面最近的传感器到结构面的距离小于等于10cm。
[0037] 另外，所述振动传感器包括加速度传感器、速度传感器，振动传感器的频响大于等 于lKHz。
[0038] 另外，所述振动传感器通过石膏粘接、速凝水泥粘接，化学胶水粘接或膨胀螺栓连 接的方式安装到岩体。
[0039] 另外，所述步骤（4)中，锤击方向与结构面垂直时产生纵波，锤击方向与结构面平 行时产生横波。
[0040] 另外，所述步骤（7)中，根据公式（1)计算完整岩体的泊松比，根据公式（2)计算 弹性模量：
[0041 ] K=!{lc~p -2c；) (1)
[0042] iE=2p(\ +v)c{ (2)
[0043] 其中v为泊松比、E为弹性模量、P为密度、cp为纵波波速、cs为横波
[0044] 波速。
[0045] 另外，所述步骤（8)中的数值方法包括有限元法、离散元法、有限体积法、有限差 分法、无网格法。
[0046] 另外，所述步骤（9)中的调整数值模型中结构面的法向接触刚度和切向接触刚度 的方法包括二分法、最速下降线法、共辄梯度法、模拟退火算法。
[0047] 还提供了一种使用这种测试岩体结构面接触刚度的方法的装置，其包括锤击工 具、若干振动传感器、采集仪、数据处理单元；
[0048] 振动传感器配置来以岩体结构面为对称中心在两侧安装，保持在一条直线上，感 知锤击产生的振动信号；
[0049] 采集仪配置来利用数据线与振动传感器相连，记录锤击产生的振动信号；
[0050] 锤击工具配置来在岩体结构面的一侧进行锤击，并通过调整锤击方向产生沿着振 动传感器连线方向传播的纵波及横波；
[0051] 数据处理单元配置来计算完整岩体的纵波波速、横波波速、纵波通过结构面的耗 时、横波通过结构面的耗时；计算完整岩体的弹性模量及泊松比；借助数值方法