CN102589672B - 一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法，通过固定声波发射探头和声波接收探头于加载试样侧面，采用数据连续自动记录系统连续记录声波在岩石试样中沿与加载垂直的方向的传播时间，从而实现整个单轴压缩加载裂纹扩展过程中岩石试样径向的声波波速的连续测量。实现了裂纹扩展过程垂直裂纹发育主方向声波波速的连续测量，从而为岩石试样加载过程裂纹的产生、扩展和贯通整个过程中声弹性研究和应用提供了技术保障。

Description

一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法

技术领域

本发明涉及岩石力学实验中的加载过程波速测试，特别适合于分析岩石压缩过程中由于裂纹扩展而引起波速的变化，特别适合于预制裂纹岩石试样压缩过程中裂纹扩展而引起的波速变化研究。

技术背景

在振动作用下，除了震源附近，材料中会产生相应的瞬间微应变，从而可以假定为弹性。从这个假定出发，振动波在材料中的传播速度由材料的弹性参数和密度决定。根据弹性理论，材料中波速与弹性参数之间的关系为：

$v_p=\sqrt{\frac{E(1-\mathrm{\μ})}{\mathrm{\ρ}(1-\mathrm{\μ})(1-2\mathrm{\μ})}}---\left(1\right)$

$v_s=\sqrt{\frac{E}{2\mathrm{\ρ}(1+\mathrm{\μ})}}---\left(2\right)$

式中：v_p纵波速度；v_s横波速度；E弹性模量；μ泊松比。

岩石的纵波波速、横波波速参数能较好地反映岩石的致密程度、强度特性、裂纹发育等情况。因此，在岩石力学实验研究和岩体工程实践中，得到了广泛的运用。《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266-99)、《水利水电工程岩石试验规程》(SL264-2001)都把岩石(块)声波测试和岩体声波测试作为基本测试内容，分别如图1A、1B、1C和图2所示。在地下岩体工程特别是煤矿采掘工程中，岩体松动圈测试就是利用波速在不同松动破坏程度、不同裂纹扩展程度岩体中的波速差异来判断岩体松动圈范围。声波波速的测量是将声波发射探头和声波接收探头通过耦合剂紧贴岩石表面，通过测量声波在发射探头和接受探头之间的传播时间t，并测量两个探头之间的距离S，计算测试岩石中的声波波速。

$v=\frac{S}{t}---\left(3\right)$

然而，目前在岩石(块)、岩体中进行的测试都是静态的波速测试，即岩石在确定的外部环境下，不变的内部结构条件下进行波速测试。

图3A、3B、3C和3D分别为花岗岩(Westerly Granite)中的轴向微裂纹、花岗岩(Lac duBonnet Granite)压缩试样中的裂纹、二云英片岩(Quartz Mica Schist)单轴压缩试验的轴向裂纹和最大主应力垂直条件下洞室开挖洞壁附近剥落破坏示意图。在单轴压缩或低围压应力条件下，岩石等脆性材料(混凝土、玻璃、冰等等)首先产生张拉裂纹，并优先沿加载方向发育。这一结论已经被大量的研究所证实。例如：

Martin，C.D.and Chandler，N.A.，1994.The progressive fracture of Lac du Bonnetgranite.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & GeomechanicsAbstracts，31(6)：643-659.

Diederichs，M.S.，2003.Manuel Rocha Medal recipient-Rock fracture and collapseunder low confinement conditions.Rock Mechanics and Rock Engineering，36(5)：339-381.

Lan，H.X.，Martin，C.D.and Hu，B.，2010.Effect of heterogeneity of brittle rockon micromechanicai extensile behavior during compression loading.Journal ofGeophysical Research-Solid Earth，115.

由于张拉裂纹沿加载方向发展，会对与加载方向垂直方向的声波波速有较大的影响。裂纹的存在，导致岩石材料垂直裂纹方向的弹性模量降低，根据公式(1)和公式(2)，弹性模量的降低会使得岩石的声波波速降低。这一结论也被相关研究所证实，例如：

O’Connell，R.J.，Budiansky，B.，1974.Seismic velocities in dry and saturatedcracked solids.J.Geophys.Res.79，5412-5426.

Kachanov，M.，1992.Effective elastic properties of cracked solids：critical reviewof some basic concepts.Appl.Mech.Rev.45，304-335.

Ullemeyer，K.，et al.，Experimental and texture-derived P-wave anisotropy ofprincipal rocks from the TRANSALP traverse：An aid for the interpretation of seismicfield data.Tectonophysics，2006.414(1-4)：p.97-116.

裂纹的产生、扩展和贯通过程中沿垂直裂纹方向声波波速会不断变化。已有的静态波速测试手段不能满足这一测量要求，需要发明一种动态连续声波测试方法来实现这一功能。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法，通过固定声波发射探头和声波接收探头，采用数据连续自动记录系统连续记录声波在岩石试样中的传播时间，从而实现整个单轴压缩加载裂纹扩展过程中岩石试样径向的声波波速的连续测量，获得岩石加载过程中的声波波速-加载时间变化曲线，为岩石试样加载过程裂纹的产生、扩展和贯通整个过程中声弹性研究和应用提供了技术保障。

本发明所采用的技术方案是：一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将准备好的岩石试样置于单轴压缩试验机，做好单轴压缩试验前的准备工作；其中，试样为脆性材料，在单轴压缩条件下沿轴向产生以张拉裂纹为主的裂纹；除岩石材料外，试样还可以为混凝土、玻璃、冰等脆性材料；

步骤二：将声波发射探头和声波接收探头分别固定于单轴压缩岩石试样侧面，声波发射探头和声波接收探头采用弹簧、施力螺丝、测力计以一定的压力进行固定；

步骤三：打开数据采集器和数据连续记录系统，打开声波发射探头自动连续激发声波，数据连续记录系统能以一定的采用频率记录声波在加载试样中的传播时间，进行连续测量；

步骤四：启动加压系统对岩石试样以较低的加载速率进行加载，产生沿轴向发育的裂纹，直至岩石破坏；

步骤五：数据连续记录系统得到的是声波在试样中的传播时间，将声波传播的距离除以传播时间，得到试样加载全过程连续的声波波速，最终得到声波波速-加载时间曲线。

所述声波波速包括纵波波速和横波波速；试样尺寸满足单轴压缩试验尺寸要求，岩石试样的形状可以是圆柱体、长方体，也可以是有预制裂纹的岩石试样；预制裂纹可以是张开裂纹、闭合裂纹或岩石表面一定深度的槽型裂纹，预制裂纹可以是单条，也可以是两条或多条的组合裂纹。

所述声波发射探头和声波接收探头可以是最简单的一发一收模式，也可以在试样右侧固定两个或多个声波接收探头来分析沿加载试样内不同方向的声波波速，即一发多收的模式。

所述声波测试方向为垂直裂纹产生的主方向，也即为垂直于单轴压缩方向。

对整个岩石压缩裂纹扩展过程进行声波波速的连续测量，也可以用于多孔隙岩石试样饱水(或干燥)过程中波速变化全过程测量。

由上述提供的技术方案可以看出，本发明所述的岩石压缩加载裂纹扩展过程岩石试样径向声波波速测测量方法，由于通过固定声波发射探头和声波接收探头于加载试样侧面；采用数据连续自动记录系统连续记录声波在岩石试样中的传播时间，从而实现整个单轴压缩加载裂纹扩展过程中的声波波速的连续测量。

附图说明

图1A，1B，1C是岩石(块)声波测试；

图2是岩体声波测试；

图3A，3B，3C，3D是岩石不同尺度的张拉破坏；

图4A，4B，4C是岩石试样；

图5是测量岩石压缩过程声波波速连续测量装置系统；

图6A，6B，6C是单轴压缩试样裂纹扩展过程声波波速测量；

图7A，7B，7C是预制单裂纹试样加载裂纹扩展过程声波波速测量。

具体实施方式：

下面结合实施例和附图对于本发明提供的一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法做出详细说明。

首先，制作岩石试样，试样尺寸按照单轴压缩实验规程比例。试样要求磨平，平整度满足单轴压缩试验要求。岩石试样为脆性材料，在单轴压缩条件下沿轴向产生以张拉裂纹为主的裂纹。除岩石材料外，还包括常见的脆性材料，如混凝土、玻璃、冰等脆性材料。岩石试样的形状可以是4A、4B、4C所示的圆柱体、长方体和有预制裂纹的岩石试样。预制裂纹可以是张开裂纹、闭合裂纹和岩石表面一定深度的槽型裂纹，预制裂纹可以是单条，也可以是两条或多条的组合裂纹。

然后，如图5所示，将岩石放置在单轴岩石试验机上，固定好岩石试样8于底盘6和加压盘7之间，做好单轴压缩试验前的准备工作。其中，完整试样一般固定在试样的中间部位；预制裂纹试样应布置在预制裂纹的上部或下部，即使得声波传播基本不受预制裂纹的干扰，而只观察加载所新产生裂纹对声波波速的影响。

接下来，固定声波发射探头1和声波接收探头2于试样8两侧。为了保证探头和岩石试样之间的良好耦合，除了在探头与岩石试样见涂抹薄层黄油、甘油或凡士林等耦合剂外，还通过压紧弹簧3，测力计4，施力螺丝5以一定的压力进行固定，作用在探头上，达到增强耦合的效果。弹簧压力大小可以通过测力计4读出，参照国际岩石力学试验规程，详见Ulusay，R.and Hudson，J.A.(2007)The complete ISRM suggested methods for rockcharacterization，testing and monitoring：1974-2006。取探头作用在岩石表面的应力为10N/cm²左右，乘以探头与岩石的接触面积，计算出所需弹簧压力值。实际测量中也可以同过对标准试样声速的标定来确定合适的弹簧压力值。图5中为最简单的一发一收模式，可以在试样右侧固定两个或多个声波接收探头，以一发多收的方式来分析沿加载试样内不同方向的声波波速。

完成固定探头程序后，就可以打开数据采集器9和数据连续记录系统10，打开声波发射探头自动连续激发声波，接收探头接收经岩石试样传播过来的声波信号，数据采集器采集声波在发射探头和接收探头之间(即岩石试样中)的传播时间，并将该传播时间传输给数据连续记录系统，进行记录并存储。数据连续记录系统能以一定的采样频率记录声波在加载试样中的传播时间，进行连续测量。由于传统的声波测试是测量稳定状态的声波波速，因此数据采集器(或示波器)只是显示当前声波在声波发射探头和接收探头之间传播的时间间隔，测量者从显示器上读出声波传播时间。本发明要求连续记录声波传播时间，因此，提出采用数据连续记录系统记录声波传播时间。数据连续记录系统可以选择不同的频率进行记录并存储。

随后启动加压系统对岩石试样以较低的加载速率进行加载，加载直至岩石试样发生宏观破坏。加载过程中记录作用在岩石上的应力和轴向、径向应变。这些是常规单轴压缩试验的内容，在此就不一一赘述。详细可查看国际和国内的相关试验规程。

最后，连续记录系统得到的是声波在试样中的传播时间，需要用声波传播的距离D(圆柱形试样)；L(长方体试样)除以传播的时间，得到试样加载全过程连续的声波波速。绘制出声波波速-加载时间曲线。

整个加载裂纹扩展过程声波波速测量过程示意图如图6、图7所示。其中，图6A，6B，6C分别对应为单轴压缩试样裂纹过程声波波速测量中的加载初期，未产生裂纹、加载中期，产生裂纹和加载后期，产生大量裂纹；图7A，7B，7C分别对应为预制单裂纹试样加载裂纹过程声波波速测量中的加载初期，未产生裂纹、加载中期，产生裂纹和加载后期，裂纹增长、增多。

由于本发明实现了对整个岩石压缩裂纹扩展过程进行声波波速的连续测量，也可以用于多孔隙岩石试样饱水(或干燥)全过程声波波速测量。

本发明通过固定声波发射探头和声波接收探头，采用数据连续自动记录系统连续记录声波在岩石试样中的传播时间，从而实现整个单轴压缩加载裂纹扩展过程中岩石试样径向的声波波速的连续测量。实现了声波波速的连续测量，从而为岩石试样加载过程裂纹的产生、扩展和贯通整个过程中声弹性研究和应用提供了技术保障。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将准备好的岩石试样置于单轴压缩试验机，做好单轴压缩试验前的准备工作；其中，试样为脆性材料，在单轴压缩条件下沿轴向产生以张拉裂纹为主的裂纹；且岩石试样为有预制裂纹的岩石试样，预制裂纹为张开裂纹、闭合裂纹或岩石表面一定深度的槽型裂纹；

步骤二：将声波发射探头和声波接收探头分别固定于单轴压缩岩石试样侧面，声波发射探头和声波接收探头采用弹簧、施力螺丝、测力计以一定的压力进行固定，保证探头与岩石试样之间的良好耦合，对于含预制裂纹试样，声波发射探头和声波接收探头应布置在预制裂纹的上部或下部，使得声波传播基本不受预制裂纹的干扰，而只观察加载所新产生裂纹对声波波速的影响；

步骤三：打开数据采集器和数据连续记录系统，打开声波发射探头自动连续激发声波，数据连续记录系统能以一定的采样频率记录声波在加载试样中的传播时间，进行连续测量；

步骤四：启动加压系统对岩石试样以较低的加载速率进行加载，产生沿轴向发育的裂纹，直至岩石破坏；

步骤五：数据连续记录系统得到的是声波在试样中的传播时间，将声波传播的距离除以传播时间，得到试样加载全过程连续的声波波速，最终得到声波波速-加载时间曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声波波速包括纵波波速和横波波速。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，声波测试方向为垂直裂纹产生的主方向，也即为垂直于单轴压缩方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声波发射探头和声波接收探头为最简单的一发一收模式或者为在试样右侧固定多个声波接收探头来分析沿加载试样内不同方向的声波波速，即一发多收的模式。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对整个岩石压缩裂纹扩展过程进行垂直裂纹主发育方向的声波波速的连续测量，也可以用于多孔隙岩石试样饱水或干燥过程中波速变化全过程测量。