基于跨孔电阻率CT的地铁盾构区间孤石探测方法及物理模型试验研究

跨孔电阻率CT方法在地铁盾构区间孤石探测方面具有一定优势,但仍然存在孤石定位精度低、小尺寸孤石难以识别等工程实际难题。首先,提出了电阻率CT不等式约束反演成像方法和偏导数矩阵的并行解析快速求解方法,从施加先验信息约束和提高反演精度两个方面共同改善了电阻率CT反演的多解性与成像效果。在此基础上,通过大量常规观测模式的成像效果对比试验,提出了一种组合式观测模式,可以综合多种常规观测模式的探测优势并增加采集的数据量,从而提高对异常体的识别能力。针对影响探测效果的两个因素——孔距和电极间距进行了数值模拟试验研究,获得了在组合式观测模式下的有效孔距范围和合理的电极间距参数,并进一步检验了对小粒径孤石的识别效果。在此基础上,提出了地面物探普查与电阻率CT详查相结合的孤石探测方案。最后,开展了物理模型试验研究进行验证,探测结果与实际情况比较一致,具有较好的应用前景。     

声波最小二乘偏移不同精确伴随算子对的定量关系分析

最小二乘偏移（Least Squares Migration,LSM）是一种备受关注的高分辨率成像方法,它的成功应用取决于正演—偏移算子对的伴随特性。通常,正演—偏移算子对可以根据Born近似理论或逆时偏移（Reverse Time Migration,RTM）过程构建,也可以基于两者同时构建。波动方程离散化和数值实现方法会影响其伴随特性,通过点积测试可以对伴随特性进行数值检验。然而,不同伴随算子之间的关系和成像结果差异目前尚不清楚。为此,从二阶声波方程的矩阵表达式入手,推导出了三组精确伴随算子对。其中两组分别基于Born近似理论和RTM过程构建,第三组是利用声波方程的自伴随离散化形式构建,分别将它们命名为Born-AdjBorn、DeRTM-RTM和自伴随Born-RTM算子对。对应的LSM过程分别称为LSBM、LSRTM和自伴随LSBRTM。通过数学推导和矩阵分析,得出了基于三组伴随算子对的成像结果之间的一系列定量关系,并应用数值算例进行了验证。     

单轴压缩条件下砂岩破坏全过程电阻率与声发射响应特征及损伤演化

 为了全面、客观地描述单轴压缩条件下砂岩损伤破坏过程和状态,提出利用电阻率和声发射技术对砂岩岩样单轴压缩全过程进行联合测试的试验方法。针对30个砂岩岩样单轴压缩全过程中的电阻率和声发射响应特征进行试验研究。研究表明,电阻率和声发射的响应信息有很强的规律性和互补性：在压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,电阻率信息对岩样内部裂隙萌生和发展活动的响应更为敏感,而声发射信号较微弱;岩样破裂瞬间,电阻率和声发射都突然升高,二者相比,声发射的同步性更好,敏感程度更高;岩样破坏完成后,电阻率仍有不同程度的变化,最终趋于稳定,而声发射又恢复到较低的水平。同时,推导基于电阻率表征的岩样损伤变量的解析表达,并根据其与声发射表征的损伤变量之间的互补性,定义一综合损伤变量,得到典型岩样的损伤演化方程,提出岩样损伤破坏状态的判别标准和破坏前兆特征。通过理论与实际试验全应力–应变曲线的对比发现,综合损伤变量能够更全面、客观地反映和描述受载岩样的损伤演化过程。     

饱水过程中类岩石材料波速和电阻率变化规律及其相互关系试验研究

 研究饱水过程中岩石波速和电阻率变化规律及其相互关系,对实际工程中岩石物性判断和地球物理探测资料综合分析解释具有重要意义。为防止原岩试块的矿物组成、原生裂隙等其他因素对试验结果的影响,采用水泥砂浆制作了30组孔隙率不同的类岩石材料试块,系统测试了饱水过程中不同试块的波速和电阻率变化情况,分别揭示了波速和电阻率随饱和度、孔隙率的变化规律。采用常用的基于Wood理论假设的Gassmann方程得到了波速与饱和度、孔隙率的理论关系,但与试验实测结果相比,该理论关系不能较好的描述饱水达到门槛值之后波速快速上升的特征。对此,考虑重力等影响对试块中孔隙水的分布状态做出了合理假设,修正了饱水全过程中波速与饱和度、孔隙率的关系式,与试验实测数据变化特征较一致。同时采用Archie的非饱和岩石电阻率模型公式对电阻率随饱和度和孔隙率变化规律进行了较好拟合。在此基础上,针对以往波速与电阻率关系研究中仅以孔隙率为纽带的问题,综合考虑孔隙率和饱水状态对波速-电阻率变化规律的影响,建立了以试块孔隙率和饱水状态为桥梁的波速–电阻率关系,与试验实测数据拟合较好,并通过石灰岩原岩试块测试验证了其合理性。     

含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究

页岩气等非常规油气资源逐渐成为资源开采的热门领域。提高非常规油气藏的渗透率是目前面临的突出问题,水力压裂技术是当前提高非常规油气藏渗透率主要技术手段之一。为探究天然岩体中的X型裂隙对水力裂缝扩展规律的影响,采用真三轴水压加载系统,对含预置X型裂隙的类岩石试件进行了水力压裂实验,研究了多种X型裂隙形态在不同围压下对水力裂缝扩展的影响,并使用数值计算软件Abaqus中的扩展有限元(XFEM)方法对部分实验工况进行了数值模拟。研究结果表明:X型裂隙裂尖位置对水力裂缝的扩展有诱导作用,水平应力差系数越低,天然裂隙裂尖对水力裂缝扩展方向的诱导作用越强;随着水平应力差系数的增大,裂尖位置对水力裂缝扩展的诱导作用减弱,水力裂缝逐步向水平最大主应力方向扩展。主、次裂隙裂尖距离较近时,两裂尖所处位置的应变能密度较大,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导具有集中强化效应,水力裂缝更易向裂尖位置扩展;主、次裂隙裂尖处于近似关于水平最大主应力方向对称的位置,主、次裂隙裂尖的应变能密度比较接近,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导作用具有平衡弱化效应,裂尖对水力裂缝的诱导作用减弱,水力裂缝更易向水平最大主应力方向扩展。     

多元地球物理综合探测模型试验相似材料的研制

研制地球物理模型相似材料是地球物理探测模型试验成功的关键问题。针对地震波场、电磁场与直流电场多场相似的难题,应用多元地球物理场相似性原理,通过正交配比试验,研发了一种多元地球物理场综合模型试验相似材料。该材料以粉质黏土、碎石为骨料,以水泥为胶结剂,材料波速为236~1 260 m/s,电阻率为27.2~342.8Ω·m。通过正交试验发现影响试件波速的各因素主次顺序为压实度>含水率>水泥/黏土>碎石/黏土,影响试件电阻率的各因素主次顺序为含水率>压实度>碎石/黏土>水泥/黏土,影响综合地球物理相似材料波速与电阻率显著的两个因素为压实度与含水率。最后,开展隧道施工综合地球物理超前探测模型试验,得到具体模型试验要求的相似材料配比。TRT偏移图像上的强反射界面,电阻率反演图像上的低电阻率异常区域,与工程现场探测实例具有类似的异常体响应特征,综合探测结果与实际模型异常体位置较为一致,表明研发的相似材料能满足模拟综合地球物理场探测的需要。     

基于椭圆展开共反射点叠加的隧道地震波超前探测成像方法与应用

采用地震波法探明隧道前方断层、溶洞等不良地质体,是隧道施工安全的重要保障,而有效的成像方法则是关键。椭圆展开是一种新型的偏移成像方法,已在地表地震勘探中得到应用,然而尚未被引入隧道地震探测中。针对隧道环境,基于非标准椭圆方程,构建了隧道空间观测方式椭圆展开方法,同时重新设定隧道轴线方向为椭圆展开法向出射点方向,实现了对隧道掌子面前方区域地质的成像;通过共震源点地震记录的椭圆展开及相干叠加,最终实现掌子面前不良地质的识别和定位,形成了基于椭圆展开共反射点叠加的隧道地震波超前探测成像方法。在此基础上,基于交错网格有限差分方法,对岩性界面和断层进行了系统的正演成像研究,分析了不同地质模型的成像特征;最后,依托现场进行了探测试验,探测结果与开挖揭露情况基本一致,验证了成像方法的有效性和实用性。