CN106124311A - 基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法，具体步骤包括：制作标准圆柱形岩样，合理地布置轴向应变片和环向应变片，进行岩石加载并采集应力及应变数据，对各应变数据的汇总处理分析，计算得到裂纹扩展体积应变，得到各应力门槛值，采用动点回归分析处理得到轴向刚度和侧向刚度，同时依据裂纹扩展的宏观表现，并结合体应变随轴向应变变化率的变化规律，最终得到微裂纹扩展演化不同阶段对应的应力门槛值。本发明提出的应变测试法确定应力门槛值的方法受参数选取影响较小，提高了实验结果的可对比性和可重复性，同时将宏观力学特性与细观微裂纹的扩展结合，建立宏观力学参数随裂纹扩展演化的变化规律，具有较强的经济效益和社会效益。

Description

基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法

技术领域

本发明涉岩石类材料微裂纹扩展演化不同阶段对应应力门槛值的研究领域，特别是涉及一种基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法。

背景技术

随着岩土工程的逐步发展，大量的工程建设以岩石作为岩基或围岩，如石油天然气储备库、核电站、大型水利工程、矿山工程、地下硐室和隧道等，岩石相互作用力学理论及对应的裂纹扩展演化规律研究已滞后于工程发展速度，岩石宏观力学特性的劣化及破坏是微裂纹不断萌生扩展贯通的结果；岩石的抗压强度并不是岩石的固有属性，而是会随着外在边界条件的改变而改变，如提高加载速率、减小试样尺寸岩石单轴抗压强度均会有所提高，但岩石的应力门槛值，如裂纹起裂应力σ_ci、裂纹破坏损伤应力σ_cd则不会随加载条件改变而变化，在长期荷载作用下岩石的单轴压缩强度与裂纹破坏损伤应力σ_cd基本保持一致，且岩石加载过程中微裂纹不同阶段扩展演化规律与应力门槛值直接相关，因此研究岩石微裂纹扩展演化规律及各应力门槛值十分重要。

岩石微裂纹扩展演化规律研究方法有多种，如AE法、应变计算法等，这里提出一种较方便快捷的测试方法，岩石加载下的体积变形包括岩石基质的变形及内部孔隙及微裂纹引起的变形，其中微孔隙及微裂纹的变形分为两类，一种是岩石内部存在的原始微孔洞及微裂隙，另一种是岩石在外荷载作用下发生断裂，造成部分微裂纹的萌生及扩展。岩石在加载过程中会经历初始微孔洞及微裂隙的闭合阶段、线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、不稳定扩展阶段及峰后阶段等，微裂纹的扩展演化过程直接决定了岩石宏观力学特性的变化，同时裂纹破坏损伤应力σ_cd与岩石的长期强度基本一致，也是岩石长期强度预测的一种新方法，因此如何判别岩石微裂纹扩展演化不同阶段对应的应力门槛值问题亟待解决。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的上述缺陷，提供了一种基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法。

本发明采用以下技术方案：一种提高声发射定位时空演化过程精度的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一、将实验岩样按照规范要求加工取芯制作成Φ50×100圆柱状岩样；

步骤二、在标准圆柱岩样的侧面不同高度位置粘贴轴向应变片(1)及环向应变片(2)或者环向应变规(3)；

步骤三、对岩样进行加载，同时测试岩石全应力应变曲线过程中的轴向应力、轴向应变和环向应变，直到岩石破坏；

步骤四、将测试所得应力、轴向应变、环向应变数据进行处理汇总分析，得到各应力-应变曲线；

步骤五、计算并得到初始裂隙闭合应力σ_cc、裂纹起裂应力σ_ci、裂纹破坏损伤应力σ_cd，同时通过动点回归分析处理方法得到轴向刚度、侧向刚度变化规律曲线，即得到初始裂隙闭合应力σ_cc、裂纹破坏损伤应力σ_cd；

步骤六、依据步骤四所得体应变和轴向应变变化规律，采用动点回归分析处理方法得到体应变随轴向应变切向斜率的变化规律，通过该体应变率的变化规律识别出初始裂隙闭合应力σ_cc、裂纹起裂应力σ_ci、裂纹破坏损伤应力σ_cd。

进一步，所述步骤二中岩样中部、距离中部1/3岩样高度的上部和下部断面分别对称布置4个轴向应变片和4个环向应变片，共计12个轴向应变片和12个环向应变片，所述应变片与岩样侧面通过502胶水粘贴。

进一步，所述步骤二中岩样中部断面上布置环向应变规，距离中部1/3岩样高度的上部和下部断面分别对称布置4个轴向应变片和4个环向应变片，共计1个环向应变规、8个轴向应变片和8个环向应变片，所述应变片、应变规与岩样侧面通过502胶水粘贴。

进一步，所述步骤五中采用传统计算应变法首先需根据最小二乘法拟合出应力-应变曲线线弹性段的弹性模量E和泊松比υ，然后根据公式计算出裂纹体应变变化规律，最终得到各应力门槛值。

进一步，所述步骤五中采用动点回归分析处理方法得到轴向刚度和侧向刚度变化，其中动点回归分析处理方法取样点间隔设置在总数据长度的3～5％。

进一步，所述步骤六中采用动点回归分析处理方法得到体应变随轴向应变切向斜率的变化规律，其中动点回归分析处理方法取样点间隔设置在总数据长度的3～5％。

本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果和优点：本发明采用加载实验系统同时测试岩样轴向应力、轴向应变、环向应变，不需要测试别的项目，且操作方便容易实现；该方法在岩样不同高度位置布置多个轴向和环向应变片测试岩样应变，减小了岩样局部应变的不均匀变形的影响，轴向应变、环向应变、体应变测试结果更加准确可靠；采用动点回归分析处理方法，通过对多次实验测试处理结果反复对比分析，提出取样点间隔不能太大，太大反应不出对应变化规律，不敏感；同时亦不能太小，太小对应变量太敏感，起伏较大不稳定，建议取总数据长度的3～5％；该方法从岩石微裂纹扩展的本质属性出发，将裂纹的扩展转化为对应宏观应变的变化，将裂纹扩展演化过程简化，简单有效；同时将宏观力学特性(轴向应力、轴向应变、环向应变、体应变轴向刚度、侧向刚度)与细观微裂纹的扩展结合，建立宏观力学参数随裂纹扩展演化的变化规律，更加深入和清晰的认识岩石的裂纹扩展及破坏过程，具有较强的科研研究价值，同时能带来较好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明实施例流程图。

图2是本发明设计的岩样应变片布置简图。

图3是本发明实例应变片及应变规分布简图。

图4是本发明实例应力-应变曲线及微裂纹扩展演化阶段划分简图。

图5是本发明提出的动点回归分析处理方法原理示意图。

图6是本发明实施例轴向刚度随加载应力变化规律图。

图7是本发明实施例侧向刚度随加载应力变化规律图。

图8是本发明实施例体应变随轴向应变变化率的示意图。

图中，1、轴向应变片；2、环向应变片；3、环向应变规。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本实施例选取花岗岩为实验岩样，岩样取自一采石场。该方法主要操作流程如图1所示，具体步骤如下：

1)标准岩样的加工制作，首先将实验岩样进行室内钻取岩芯，采用标准砖头及设备，然后对端面进行加工磨平，制成Φ50×100标准岩样，并对端面及侧面进行平整度及平行度较验使之满足规范要求。

2)粘贴应变片，首先对加工好的岩样侧面擦拭干净，为了更全面准确地测试岩石各应变变化，按照三个不同断面位置进行粘贴轴向应变片1和环向应变片2，岩样中部布置环向应变规3进行该位置环向应变测试，距离中部1/3岩样高度的上部断面分别对称布置4个轴向应变片1和4个环向应变片2，同时距中部1/3岩样高度的下部断面也布置4个轴向应变片1和环向应变片2，如图3所示，共计8个轴向应变片1、8个环向应变片2和1个环向应变规3，采用502胶水将应变片、环向应变规1与岩样表面粘贴牢固。

3)实验测试过程，采用MTS815.04岩石力学实验机对岩样进行加载，根据加载速率选取数据采样率，这里采样率为5Hz，实验过程中同时记录轴向应力、各通道应变片轴向应变、环向应变，加载方式采用位移控制，恒定速率加载直至岩石最终发生破坏停止。

4)数据处理及分析，根据实验测试各通道应力、应变，对数据汇总，试验中共测试了三个断面的轴向和环向应变，分别取其平均值作为对应应变值，汇总得到轴向应力与轴向应变-侧向应变-体应变的变化规律，如图4所示。

5)依据上述中得出的各应力-应变曲线变化，首先根据线弹性阶段采用最小二乘法拟合出弹性模量和泊松比，然后依据计算公式得到裂纹引起的体积应变，得到各应力门槛值，如图4所示，计算如下：

根据轴向应变ε₁及侧向应变ε₃可计算岩样总的体积应变为：

ε_v＝ε₁+2ε₃

根据线弹性段计算出弹性模量E和泊松比υ，进而可以计算得出不同应力状态下岩石基质变形引起的弹性体积应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_v^e=\frac{1-2\mathrm{\υ}}{E}({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_3)$

岩样体积变形包括岩石基质变形及内部孔隙及微裂纹引起的变形。对于单轴压缩，岩石内部微孔洞及微裂纹引起的体积应变：

${\mathrm{\ϵ}}_v^c={\mathrm{\ϵ}}_v-\frac{1-2\mathrm{\υ}}{E}{\mathrm{\σ}}_1$

同时采用动点回归分析处理方法，示意图如图5，对间隔一定区域样本视作呈线性变化，因此样本间隔长短对结果存在一定影响，间隔太大则变化不敏感，反应不出变化规律，间隔太小则数据起伏较大不稳定，呈锯齿状波动变化，依据对多次试验数据的反复处理对比得出：数据样本间隔大小宜在3～5％总数据长度，依据该准则研究轴向刚度、侧向刚度随应力应变的变化规律，轴向刚度随应力应变的变化规律如图6，侧向刚度随轴向应力的变化规律如图7。

6)同样依据试验测试的各应力-应变曲线结果，采用动点回归分析处理方法，依据步骤五中所述的准则研究体应变率随应力的变化规律，如图8所示。

图4为本发明实施例采用传统计算应变法所得各应力门槛值及微裂纹扩展不同阶段划分结果，但计算应变法需要通过线弹性段的弹性模量E和泊松比υ计算才能得出初始裂隙闭合应力σ_cc、裂纹起裂应力σ_ci，应力门槛值对弹模和泊松比的取值依赖较大，而对于泊松比，从图4可看出侧向应变在整个加载过程中基本成非线性变化，因此泊松比的准确确定存在一定困难，同时将整个加载阶段岩石基质的弹性模量默认为恒定不变也存在一定的误差；采用刚度法即：轴向刚度和侧向刚度所得初始裂隙闭合应力σ_cc偏大，且不能确定所有应力门槛，如图6、图7；而本发明提出的综合考虑轴向应变、环向应变、体应变来反应裂纹扩展更加全面，反映了应变变化的本质，将微裂纹扩展转化成可量化的应变值，结果如图8所示，微裂纹扩展的不同阶段对应着应变率的变化率的拐点，该方法快捷且容易操作，受人为选取参数的影响较小，同时该发明中给出动点回归分析处理方法取样建议值，增加了实验结果的可对比性和可重复性。因此，采用本发明提供的一种基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法能够解决微裂纹扩展演化阶段对应的应力门槛值的难题，增加了实验的可操作性和准确性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、将实验岩样按照规范要求加工取芯制作成Φ50×100圆柱状岩样；

步骤二、在标准圆柱岩样的侧面不同高度位置粘贴轴向应变片(1)及环向应变片(2)或者环向应变规(3)；

步骤三、对岩样进行加载，同时测试岩石全应力应变曲线过程中的轴向应力、轴向应变和环向应变，直到岩石破坏；

步骤四、将测试所得应力、轴向应变、环向应变数据进行处理汇总分析，得到各应力-应变曲线；

步骤五、计算并得到初始裂隙闭合应力σ_cc、裂纹起裂应力σ_ci、裂纹破坏损伤应力σ_cd，同时通过动点回归分析处理方法得到轴向刚度、侧向刚度变化规律曲线，即得到初始裂隙闭合应力σ_cc、裂纹破坏损伤应力σ_cd；

步骤六、依据步骤四所得体应变和轴向应变变化规律，采用动点回归分析处理方法得到体应变随轴向应变切向斜率的变化规律，通过该体应变率的变化规律识别出初始裂隙闭合应力σ_cc、裂纹起裂应力σ_ci、裂纹破坏损伤应力σ_cd。

2.根据权利要求1所述的基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法，其特征在于：所述步骤二中岩样中部、距离中部1/3岩样高度的上部和下部断面分别对称布置4个轴向应变片(1)和4个环向应变片(2)，共计12个轴向应变片(1)和12个环向应变片(2)，所述应变片与岩样侧面通过502胶水粘贴。

3.根据权利要求1所述的基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法，其特征在于：所述步骤二中岩样中部断面上布置环向应变规(3)，距离中部1/3岩样高度的上部和下部断面分别对称布置4个轴向应变片(1)和4个环向应变片(2)，共计1个环向应变规(3)、8个轴向应变片(1)和8个环向应变片(2)，所述应变片、应变规与岩样侧面通过502胶水粘贴。

4.根据权利要求1所述的基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法，其特征在于：所述步骤五中采用传统计算应变法首先需要根据最小二乘法拟合出应力-应变曲线线弹性段的弹性模量E和泊松比υ，然后根据公式计算出裂纹体应变变化规律，最终得到各应力门槛值。

5.根据权利要求1所述的基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法，其特征在于：所述步骤五中动点回归分析处理方法的取样点间隔设置在总数据长度的3～5％。

6.根据权利要求1所述的基于应变测试判别裂纹扩展演化过程的方法，其特征在于：所述步骤六中动点回归分析处理方法的取样点间隔设置在总数据长度的3～5％。