CN103852377A - 基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩石性能测试领域，具体涉及一种基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，目的是对岩石启裂强度进行准确识别。该方法包括：a、加工岩石试件；b、将试件安装在压力机的试样台上，同时在试件中部上安装声发射传感器；c、按荷载控制模式对试件进行单轴加载，保持声发射监测与压力机加载同步进行；d、观察累计声发射撞击数随时间变化曲线的形态，曲线起初呈下凹形，然后呈直线形，随后呈上凹形，当曲线具备上述三种不同形态时，试验结束；e、绘制轴向应力与累计声发射撞击数的关系曲线；f、在关系曲线中的线性变化段做切线，从线性变化段开始，曲线偏离切线时对应的轴向应力值即为岩石的启裂强度。
Description
技术领域
本发明属于岩石性能测试领域，具体涉及一种采用累计声发射撞击数识别岩石在单轴压缩条件下启裂强度的方法。
背景技术
岩石受力破坏过程是其内部微破裂萌生、扩展和贯通的过程。其在压缩条件下的损伤和破坏过程可主要划分为几个重要阶段：(1)裂隙闭合；(2)弹性变形；(3)裂隙初始；(4)裂隙稳定发展；(5)裂隙贯通；(6)非稳定裂隙发展；(7)破坏；(8)破坏后阶段。其中，裂隙初始所对应的应力水平称为岩石启裂强度。启裂强度（σci）是岩石在压缩破坏过程中的重要特征应力值之一，合理确定该应力值对于描述岩石的力学行为以及预测地下工程开挖边界附近的劈裂破坏具有重要意义。目前，国际岩石力学与工程学会（ISRM）建立了劈裂破坏预测（Commission on Spall Predictions）委员会，该委员会的重要目标之一是提出岩石启裂强度的确定方法。然而到目前为止，国际上还尚未形成明确的建议方法来确定岩石在单轴压缩条件下的启裂强度。
现有测定岩石在单轴压缩条件下启裂强度的方法主要包括应力应变法和声发射法两类。应力应变法是利用粘贴在岩石试件表面的轴向和横向应变片，或安装在岩石试件上的纵向和横向引伸计，在单轴压缩过程中记录轴向应力，并分别测量其两个方向的应变，然后绘制轴向应力和应变（轴向、横向和体积应变）关系曲线，并在体积应变-轴向应力曲线上做切线，当曲线偏离切线时对应的轴向应力即为岩石的启裂强度。然而，应力应变法强烈依赖于体积应变与轴向应力关系曲线的形态，当电压信号不稳定而导致应力-应变曲线出现波动时，便不能准确判别偏离线点的位置。研究表明，岩石破裂过程中产生大量的声发射信息，采用声发射监测技术，可实时监测岩石材料内部微破裂的动态演化，根据岩石声发射信号的变化可反映岩石的变形和破坏的基本特征，并建立声发射信号和岩石破裂过程的相互关系，以此研究岩石的破坏机制。在声发射方法中，多采用以柱状图显示的实时声发射参数（主要包括：事件数、振铃数、幅度、能量、上升时间和持续时间等）的变化来确定岩石的启裂强度。其判读的依据是：在单轴加载初始阶段，声发射信号微弱，随着轴向压力的增大，岩石开始出现一次显著的声发射事件，此时对应的轴向应力即为岩石的启裂强度。然而，由于声发射监测信号对于岩石受力响应的高度敏感性以及背景噪声的干扰，岩石在孔隙裂隙压密阶段和弹性变形阶段也可能检测出较强的声发射信号，从而干扰了对于启裂强度值的准确识别。因此，本发明就是在这种情况下，开发了一种采用累计声发射撞击数识别岩石在单轴压缩条件下启裂强度的方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提高启裂强度值识别的准确性，提供一种基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，依次包括以下步骤：
步骤1：对现场钻取的完整岩芯进行加工，制备圆柱形的岩石试件；
步骤2：将岩石试件安装在压力机的试样台上，并在所述岩石试件中部安装1个声发射传感器，使声发射传感器压电陶瓷表面与所述岩石试件表面直接接触，接触面涂有一薄层凡士林作为耦合剂；
步骤3：对所述岩石试件进行单轴加载，保持声发射监测与加载过程同步进行，实时采集轴向应力和累计声发射撞击数数据；
步骤4：在声发射监测系统的显示屏上观察声累计发射撞击数随时间的变化曲线:；在初始加载阶段，曲线上的切线斜率随轴向应力的增大逐渐减小，曲线呈下凹形，其表征岩石内部孔隙裂隙处于压密阶段；随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形，其表征岩石弹性变形阶段；最后切线斜率随轴向应力的增大而逐渐增加，呈上凹形，其表征岩石裂隙稳定增长阶段；当曲线具备上述三种不同形态时，试验结束；
步骤5：绘制轴向应力与累计声发射撞击数的关系曲线；
步骤6：根据步骤5所得结果，在关系曲线中的线性变化段做切线；
步骤7：获得岩石的启裂强度，所述岩石的启裂强度为：从关系曲线中的线性变化段开始，曲线偏离切线时对应的轴向应力值。
如上所述的基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，其中：所述岩石试件的高度与直径比为2:1。
如上所述的基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，其中：所述累计声发射撞击数数据通过在所述岩石试件上安装声发射传感器采集。
如上所述的基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，其中：将岩石试件安装在压力机的试样台上，采用荷载控制模式对岩石试件进行单轴加载，保持声发射监测与压力机加载同步进行。
如上所述的基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，其中：所述压力机为长春朝阳试验仪器有限公司生产的型号为TAW-2000微机控制电液伺服岩石力学试验机。
本发明为识别岩石在单轴压缩条件下的启裂强度提供了一种新方法，本发明所述方法的特点是不再使用应变测量，而是利用声发射监测和常规压缩试验为技术手段，以轴向应力与累计声发射撞击数的变化关系为判读依据，对岩石启裂强度进行准确识别。此外，该方法不必将岩石试件加压至宏观破坏，从而节省了试验时间，简单高效，易于推广应用。
附图说明
图1为本发明中单轴压缩条件下声发射传感器的位置图；
图2为本发明中单轴压缩条件下花岗闪长岩试件累计声发射撞击数随时间的变化关系图；
图3为本发明中单轴压缩条件下花岗闪长岩试件轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线图；
图4为本发明中单轴压缩条件下似斑状二长花岗岩试件累计声发射撞击数随时间的变化关系图；
图5为本发明中单轴压缩条件下似斑状二长花岗岩试件轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线图；
图中，1.岩样；2.声发射传感器；3.凡士林；31.关系曲线；32.切线；33.启裂强度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，依次包括以下步骤：
步骤1：对现场钻取的完整岩芯进行加工，制备圆柱形的岩石试件；
步骤2：将岩石试件安装在压力机的试样台上，并在所述岩石试件中部安装1个声发射传感器，使声发射传感器压电陶瓷表面与所述岩石试件表面直接接触，接触面涂有一薄层凡士林作为耦合剂；
步骤3：对所述岩石试件进行单轴加载，保持声发射监测与加载过程同步进行，实时采集轴向应力和累计声发射撞击数数据；
步骤4：在声发射监测系统的显示屏上观察声累计发射撞击数随时间的变化曲线:；在初始加载阶段，曲线上的切线斜率随轴向应力的增大逐渐减小，曲线呈下凹形，其表征岩石内部孔隙裂隙处于压密阶段；随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形，其表征岩石弹性变形阶段；最后切线斜率随轴向应力的增大而逐渐增加，呈上凹形，其表征岩石裂隙稳定增长阶段；当曲线具备上述三种不同形态时，试验结束；
步骤5：绘制轴向应力与累计声发射撞击数的关系曲线；
步骤6：根据步骤5所得结果，在关系曲线中的线性变化段做切线；
步骤7：获得岩石的启裂强度，所述岩石的启裂强度为：从关系曲线中的线性变化段开始，曲线偏离切线时对应的轴向应力值。
为获得更好效果，对如下实施例进行了试验。
实施例1：
本实施例为单轴压缩条件下采用累计声发射撞击数确定花岗闪长岩的启裂强度，现进行以下操作：
（1）对甘肃北山高放废物地质处置库预选区钻取的完整岩芯进行加工，制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石试件，本例采用的岩石试件直径为50mm，高为100mm，岩石类型为花岗闪长岩。
（2）将岩石试件安装在压力机的试样台上，压力机型号为TAW-2000（长春朝阳试验仪器有限公司生产）。
（3）如图1所示，在该岩样1中部安装1个声发射传感器2，传感器型号为：Micro30（美国物理声学公司生产），使声发射传感器压电陶瓷表面与岩样表面直接接触，接触面有一薄层凡士林3作为耦合剂。
（4）采用压力机的荷载控制模式对试件进行单轴加载，加载速率设为0.75MPa/s，保持声发射监测系统记录与压力机加载过程同步，声发射监测系统型号为：PCI-2（美国物理声学公司生产）。
（5）如图2所示，在声发射监测系统的显示屏上观察声累计发射撞击数随时间的变化曲线（横轴为时间，纵轴为累计声发射撞击数），在初始加载阶段，曲线上的切线斜率随轴向应力的增大逐渐减小，曲线呈下凹形，其表征岩石内部孔隙裂隙压密阶段；随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形，其表征岩石弹性变形阶段；最后切线斜率随轴向应力的增大而逐渐增加，呈上凹形，其表征岩石裂隙稳定增长阶段。当曲线具备上述三种不同形态时，试验结束。
（6）如图3所示，根据步骤（4）和步骤（5）所得结果，绘制轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线31。
（7）如图3所示，在关系曲线中的线性变化段做切线32，从图中曲线的线性变化段开始，曲线偏离切线时对应的轴向应力值即为岩石的启裂强度33。
实施例2：
本实施例为单轴压缩条件下采用累计声发射撞击数确定似斑状二长花岗岩的启裂强度，现进行以下操作：
（1）对甘肃北山高放废物地质处置库预选区钻取的完整岩芯进行加工，制备成高度与直径比为2:1的圆柱形岩石试件，本例采用的岩石试件直径为50mm，高为100mm，岩石类型为似斑状二长花岗岩。
（2）将岩石试件安装在压力机的试样台上，压力机型号为TAW-2000（长春朝阳试验仪器有限公司生产）。
（3）如图1所示，在该岩样1中部安装1个声发射传感器2，传感器型号为：Micro30（美国物理声学公司生产），使声发射传感器压电陶瓷表面与岩样表面直接接触，接触面有一薄层凡士林3作为耦合剂。
（4）采用压力机的荷载控制模式对试件进行单轴加载，加载速率设为0.75MPa/s，保持声发射监测系统记录与压力机加载过程同步，声发射监测系统型号为：PCI-2（美国物理声学公司生产）。
（5）如图4所示，在声发射监测系统的显示屏上观察累计声发射撞击数随时间的变化曲线（横轴为时间，纵轴为累计声发射撞击数），在初始加载阶段，曲线上的切线斜率随轴向应力的增大逐渐减小，曲线呈下凹形，其表征岩石内部孔隙裂隙压密阶段；随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形，其表征岩石弹性变形阶段；最后切线斜率随轴向应力的增大而逐渐增加，呈上凹形，其表征岩石裂隙稳定增长阶段。当曲线具备上述三种不同形态时，试验结束。
（6）如图5所示，根据步骤（4）和步骤（5）所得结果，绘制轴向应力与累计声发射撞击数关系曲线31。
（7）如图5所示，在关系曲线中的线性变化段做切线32，从图中曲线的线性变化段开始，曲线偏离切线时对应的轴向应力值即为岩石的启裂强度33。
Claims (5)
1.基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，依次包括以下步骤：
步骤1：对现场钻取的完整岩芯进行加工，制备圆柱形的岩石试件；
步骤2：将岩石试件安装在压力机的试样台上，并在所述岩石试件中部安装1个声发射传感器，使声发射传感器压电陶瓷表面与所述岩石试件表面直接接触，接触面涂有一薄层凡士林作为耦合剂；
步骤3：对所述岩石试件进行单轴加载，保持声发射监测与加载过程同步进行，实时采集轴向应力和累计声发射撞击数数据；
步骤4：在声发射监测系统的显示屏上观察声累计发射撞击数随时间的变化曲线:；在初始加载阶段，曲线上的切线斜率随轴向应力的增大逐渐减小，曲线呈下凹形，其表征岩石内部孔隙裂隙处于压密阶段；随后切线斜率随轴向应力的增大趋于恒定，呈直线形，其表征岩石弹性变形阶段；最后切线斜率随轴向应力的增大而逐渐增加，呈上凹形，其表征岩石裂隙稳定增长阶段；当曲线具备上述三种不同形态时，试验结束；
步骤5：绘制轴向应力与累计声发射撞击数的关系曲线；
步骤6：根据步骤5所得结果，在关系曲线中的线性变化段做切线；
步骤7：获得岩石的启裂强度，所述岩石的启裂强度为：从关系曲线中的线性变化段开始，曲线偏离切线时对应的轴向应力值。
2.根据权利要求1所述的基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，其特征在于：所述岩石试件的高度与直径比为2:1。
3.根据权利要求1所述的基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，其特征在于：所述累计声发射撞击数数据通过在所述岩石试件上安装声发射传感器采集。
4.根据权利要求1所述的基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，其特征在于：将岩石试件安装在压力机的试样台上，采用荷载控制模式对岩石试件进行单轴加载，保持声发射监测与压力机加载同步进行。
5.根据权利要求4所述的基于累计声发射撞击数识别岩石单轴压缩启裂强度的方法，其特征在于：所述压力机为长春朝阳试验仪器有限公司生产的型号为TAW-2000微机控制电液伺服岩石力学试验机。
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