CN101852704A - 深部岩样初始损伤分布测定方法 - Google Patents

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本发明涉及一种深部岩样初始损伤分布测定方法。本发明的目的是提供一种简便可行的深部岩样初始损伤分布测定方法，以获得岩样初始损伤的分布情况，进而合理地确定岩样的加载方式和加载方向。本发明的技术方案是：加工岩样；安装声波检测探头和声发射探头；对岩样进行单轴加载试验；确定岩样的启裂强度；综合分析岩样的三向声波速度和声发射事件的分布，最终确定岩样中初始损伤的分布。本发明适用于为深埋水利水电工程、交通、矿山等地下工程服务的岩石力学试验。

Description

深部岩样初始损伤分布测定方法
技术领域
本发明涉及深部岩样初始损伤分布测定方法，特别是一种深部岩样由于取样过程中应力解除所导致的初始损伤分布的测定方法。可用于为深埋水利水电工程、交通、矿山等地下工程服务的岩石力学试验。
背景技术
深埋工程建设要求在深埋条件下进行岩石取样，常用的取样方式包括钻孔取样(岩芯样)和块石取样(现场岩块)方式，深埋条件下这两种取样方式都存在较为严重的芯样损伤问题，且损伤程度随着埋深增大、地应力量级的提高而愈加严重。因此，在利用这些深部岩样进行岩石力学室内试验时，为了获得合理的岩石力学参数，需要首要确定岩样初始损伤的分布情况，以最终确定岩样的加载方式及加载方向。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述情况，提供一种简便可行的深部岩样初始损伤分布测定方法，以获得岩样初始损伤的分布情况，进而合理地确定岩样的加载方式和加载方向。
本发明所采用的技术方案是：一种深部岩样初始损伤分布测定方法，其特征在于包括步骤：
a、加工岩样，岩样选择圆柱形，直径80～100mm，高160～200mm，岩样的高径比为2∶1；
b、在岩样的顶部和底部布置一对声波检测探头，同时在岩样轴向中部相互垂直的两条直径的两端布置二对声波检测探头，每对声波检测探头包括一个发射探头和一个接收探头；
c、在岩样顶部附近和底部附近的侧面布置4～6只声发射探头；
d、利用MTS岩石试验机对岩样进行单轴加载试验，试验过程包括三个方向的声波速度测试和声发射事件监测并定位，当试验机的压头与岩样端部接触时开始计时，试验过程应保持岩样轴向加载、声波速度测试、声发射监测的同时性，为避免相互干扰，三个方向的声波速度测试应分别依次进行，进行其中一个方向的测试时，应关闭另外两个声波检测探头；每次加载都应记下测试时间或轴向荷载，并且同时记下岩样声发射事件的时间、次数和分布情况；
e、单轴试验完成后，分析岩样应力应变曲线与加载过程中的声发射事件的对应关系，以确定岩样的启裂强度，再利用声波速度和声发射事件的时间对应关系，适时调整声发射定位算法中的声波速度；
f、综合分析岩样的三向声波速度和声发射事件的分布，最终确定岩样中初始损伤的分布。
所述声发射探头有4只，在岩样的底部和顶部附近各布置2只，分别布置在两条相互交错垂直的直径的两端。
所述声发射探头有6只，3只一组，在岩样的顶部附近和底部附近各一组，每组探头的夹角120度，顶部与底部的探头间隔布置。
本发明的有益效果是：本发明在利用深部岩样进行室内岩石力学试验前，通过单轴加压条件下岩样三向声波检测和岩样声发射定位技术，首先确定岩样初始损伤的分布情况，为正确制定后续试验方案——即岩样加载方式和加载方向打下了基础，确保了试验所获得的数据的合理性，也可以帮助更加合理有效地解译试验结果，获得新的理论认识。
附图说明
图1是实施例1中三对声波检测探头和4只声发射探头的布置图。
图2是实施例2中三对声波检测探头和6只声发射探头的布置图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本例测定深部岩样初始损伤的分布情况，具体步骤如下：
a、加工岩样3，为了更为准确地测试岩样中初始损伤的分布和便于布置声波和声发射探头，一般选用直径80～100mm的圆柱形岩样，本例选用的岩样直径为80mm，高径比2∶1(高160mm)。
b、在岩样拟布置探头的部位打磨出小平台，以保证探头和岩样充分耦合(本例中选用的声波检测探头2和声发射探头1均为平底探头)。在岩样顶部和底部布置一对声波检测探头2(这对探头应和试验机的压头耦合在一起，防止加压过程中损坏探头)，同时在岩样轴向中部相互垂直的两条直径的两端布置二对声波检测探头2，每对声波检测探头包括一个发射探头和一个接收探头(两者的位置可互换，不影响测试结果)。
c、在岩样3顶部附近和底部附近的侧面各布置2只声发射探头1(共4只)，分别布置在两条相互交错垂直的直径的两端(即在不同的平面内垂直相交)。
d、利用MTS岩石试验机(由美国MTS公司生产的专门用于岩石及混凝土实验的多功能电液伺服控制的刚性试验机，其特点是加载时噪音较小，可减小对声发射监测的影响)对岩样单轴加载试验，试验过程全程匹配三个方向的声波速度测试和声发射事件监测并定位。当试验机的压头与岩样端部接触时即开始计时，应保持岩样轴向加载、声波测试、声发射监测的同时性；对岩样进行三向声波检测时，为避免相互干扰，三个方向的声波检测应分别依次进行，进行其中一个方向的测试时，应关闭另外两个声波检测探头。每次声波测试时应记下测试时间(以压头与岩样端部接触时间为开始时间)或记下测试时的轴向荷载，一般情况下时间为30s或轴向荷载增加5kN记录一次。岩样加载过程中，全程进行声发射事件的监测，记下声发射事件的时间、次数和和分布情况。试验时声波信号可能对声发射测试存在干扰，但声波信号幅值较大，一般在100dB左右，可以方便地滤掉。如果声波仪可以自动采集记录，则记录时间可以更加密集。
e、单轴试验完成后，分析岩样应力应变曲线及加载过程中的声发射信号，确定岩样的启裂强度(σci)，即岩样中信裂纹开始产生的时刻；再利用声波速度和声发射事件的时间对应关系，适时调整声发射定位算法中的声波速度(可利用声发射监测软件回放或自编计算程序实现)，力求准确地实现岩样荷载达到启裂强度以前所出现的声发射事件的定位(若岩样在荷载达到启裂强度之前监测到的声发射时间很少，则说明岩样不存在初始损伤)；
f、综合分析岩样的三向声波速度和声发射事件的分布，最终确定岩样中初始损伤的分布：由于岩样内部新裂纹的产生和发展总是在既有裂纹(即初始损伤)的端部开始的，因此岩样加载过程中最初声发射事件的分布指示了初始裂纹的存在位置和分布状态。另外，声发射定位只是表明了初始损伤的部位，无法确定裂纹的空间方位，此时若结合相应的岩样声波速度，即可判明在哪个方向岩样的初始取样损伤占优。
实施例2：
如图2所示，本例测定深部岩样初始损伤的分布情况，具体步骤如下：
a、加工岩样3，选用高200mm、直径100mm的圆柱形岩样。
b、在岩样拟布置探头的部位打磨出小平台，以保证探头和岩样充分耦合(本例中选用的声波检测探头2和声发射探头1为平底探头)。在岩样的顶部和底部布置一对声波检测探头2，同时在岩样轴向中部相互垂直的两条直径的两端布置二对声波检测探头2，每对声波检测探头包括一个发射探头和一个接收探头。
c、在岩样3顶部附近和底部附近的侧面各布置一组声发射探头1，3只一组(共6只)，每组探头的夹角为120度，顶部与底部的探头间隔布置(即在不同的平面内错位布置)。
d、利用MTS岩石试验机对岩样单轴加载试验，试验过程全程匹配三个方向的声波速度测试和声发射事件监测并定位。当试验机的压头与岩样端部接触时即开始计时，应保持岩样轴向加载、声波测试、声发射监测的同时性。对岩样进行三向声波检测时，为避免相互干扰，三个方向的声波检测应分别依次进行，进行其中一个方向的测试时，应关闭另外两个声波检测探头2。每次声波测试时应记下测试时间(以压头与岩样端部接触时间为开始时间)或记下测试时的轴向荷载，一般为30秒(或轴向荷载增加5kN)记录一次。同时还应记录声发射事件的时间、次数及分布状况等。
e、单轴试验完成后，分析岩样应力应变曲线及加载过程中的声发射信号，确定岩样的启裂强度σci，即岩样中裂纹开始产生的时刻；再利用声波速度和声发射事件的时间对应关系，适时调整声发射定位算法中的声波速度(可利用声发射监测软件回放或自编计算程序实现)，力求准确地实现岩样荷载达到启裂强度以前所出现的声发射事件的定位(若岩样在荷载达到启裂强度之前监测到的声发射时间很少，则说明岩样不存在初始损伤)；
f、综合分析岩样的三向声波速度和声发射事件的分布，最终确定岩样中初始损伤的分布：由于岩样内部新裂纹的产生和发展总是在既有裂纹(即初始损伤)的端部开始的，因此岩样加载过程中最初声发射事件的分布指示了初始裂纹的存在位置和分布状态。另外，声发射定位只是表明了初始损伤的部位，无法确定裂纹的空间方位，此时若结合相应的岩样声波速度，即可判明在哪个方向岩样的初始取样损伤占优。

Claims (3)

1.一种深部岩样初始损伤分布测定方法，其特征在于包括步骤：
a、加工岩样(3)，岩样选择圆柱形，直径80～100mm，高160～200mm，岩样的高径比为2∶1；
b、在岩样的顶部和底部布置一对声波检测探头(2)，同时在岩样轴向中部相互垂直的两条直径的两端布置二对声波检测探头(2)，每对声波检测探头包括一个发射探头和一个接收探头；
c、在岩样顶部附近和底部附近的侧面布置4～6只声发射探头(1)；
d、利用MTS岩石试验机对岩样进行单轴加载试验，试验过程包括三个方向的声波速度测试和声发射事件监测并定位，当试验机的压头与岩样端部接触时开始计时，试验过程应保持岩样轴向加载、声波速度测试、声发射监测的同时性，为避免相互干扰，三个方向的声波速度测试应分别依次进行，进行其中一个方向的测试时，应关闭另外两个声波检测探头(2)；每次加载都应记下测试时间或轴向荷载，并且同时记下岩样声发射事件的时间和次数；
e、单轴试验完成后，分析岩样应力应变曲线与加载过程中的声发射事件的对应关系，以确定岩样的启裂强度(σci)，再利用声波速度和声发射事件的时间对应关系，适时调整声发射定位算法中的声波速度；
f、综合分析岩样的三向声波速度和声发射事件的分布，最终确定岩样中初始损伤的分布。
2.根据权利要求1所述的深部岩样初始损伤分布测定方法，其特征在于：所述声发射探头(1)有4只，在岩样(3)的底部和顶部附近各布置2只，分别布置在两条相互交错垂直的直径的两端。
3.根据权利要求1所述的深部岩样初始损伤分布测定方法，其特征在于：所述声发射探头(1)有6只，3只一组，在岩样(3)的顶部附近和底部附近各一组，每组探头的夹角120度，顶部与底部的探头间隔布置。
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