CN110045026B - 利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法，包括以下步骤：（1）将工程现场取回来的岩芯按照国际岩石力学学会标准加工成待测岩样；（2）对待测岩样做单轴压缩试验，测量并记录试验过程中的轴向应力值，获得岩样的单轴抗压强度σc；（3）进行待测岩样多级循环加载下的声发射试验，测量并记录加载过程中的轴向应力和声发射信号；（4）进行声发射试验中首次Felicity效应的识别，并根据建立的岩石裂缝起裂应力识别方法获得待测岩样的裂缝起裂应力范围。本发明从岩石声发射现象的物理本质出发，利用Felicity效应识别裂缝起裂应力，结合多级循环加载间应力增量的设置，获得定量识别结果范围。

Description

利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法
技术领域
本发明涉及一种岩石工程技术，尤其是一种利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法。
背景技术
随着我国地下工程的大规模发展，如石油天然气开采、地下隧洞工程、高放废物深埋处置等，岩石作为重要的工程介质，其力学性能的研究越来越受到重视。岩石特征应力是划分岩石受力变形破坏不同阶段的阈值应力，其中裂缝起裂应力被认为是弹性变形阶段的终点，也代表了岩石损伤累积的开始。因此，岩石裂缝起裂应力的精确识别，对于准确划分岩石变形阶段和开展损伤演化研究具有重要理论和实际意义。
从岩石的变形特性分析，当加载应力超过裂缝起裂应力时，岩石的变形特征必定发生变化。前人在利用应变方法识别裂缝起裂应力的过程中，经历了从体积应变曲线到横向应变曲线，再发展到相对成熟的裂纹体积应变曲线的过程。利用岩石压缩过程中的总体积应变减去弹性应变得到裂纹体积应变，在轴向应力—裂纹体积应变曲线中，裂纹体积应变趋于0后（原有裂纹闭合）再次偏离0点处的应力值，即为裂缝起裂应力。《大理岩损伤强度的识别及基于损伤控制的参数演化规律》一文介绍了裂纹体积应变的计算方法和利用轴向应力—裂纹体积应变曲线识别裂缝起裂应力的方法（参见《岩石力学与工程学报》2012年增2期，作者：汪斌，等），对大理岩的识别结果为裂缝起裂应力与单轴抗压强度的比值均值范围为0.38-0.52。该识别方法物理意义明确，但高度依赖于应变的精确测量，尤其是横向应变。
声发射是材料受载荷过程中内部积聚的能量以应力波形式释放的一种现象，岩石声发射技术能够实时监测岩石内部裂纹的活动情况，反应变形破坏信息。因此，根据岩石在受压过程中不同阶段声发射信号参数的变化，可以进行裂缝起裂应力的识别。《硬岩裂纹起裂强度和损伤强度取值方法探讨》一文介绍了利用声发射信号参数识别裂缝起裂应力的方法（参见《岩土力学》2014年第4期，作者：周辉，等），对于花岗岩，利用声发射撞击率曲线获得的强度值与裂缝起裂强度非常接近。但文中同时指出，声发射信号参数可以作为定性或者半定量识别裂缝应力的一种辅助手段，很难获得准确的定量数值。
《基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究》一文介绍了应用声发射及其定位技术，在单轴压缩载荷作用下，应用盖格尔定位算法，采用试验方法研究包含不同预制裂纹的花岗岩岩样破裂失稳过程中其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式（参见《岩石力学与工程学报》2007年第5期，作者：赵兴东，等）。验证了声发射事件与岩石内部裂纹的扩展产生有密切关系，但是该技术和本发明的技术并不重复，对发明的技术有较好的支撑。
弹性波在传播过程中遇到某些障碍时，如夹杂、孔洞、裂缝等，波速将会发生改变，岩石的超声波波速可以表征其内部结构与力学性质，因此，在工程岩体测试中，超声测试是一种重要的无损检测手段。《岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究》一文介绍了利用岩石声波波速各项异性系数的变化规律识别裂缝起裂应力的方法（参见《岩土工程学报》2018年11月网络出版，作者：张国凯，等），识别结果与裂纹体积应变曲线的识别结果吻合较好，但该方法体现的识别信息太过单一，且仅能辅助识别裂缝起裂应力。
综上所述，现有的岩石裂缝起裂应力识别方法存在一些不足，如高度依赖于应变数据的精确测量、识别点的判读主观性较强、很难获得定量的识别结果。声发射技术能够获取岩石的变形损伤信息，但仅利用简单的声发射信号变化规律来识别岩石裂缝起裂应力，有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法，从岩石声发射现象的物理本质出发，利用Felicity（费利西蒂）效应识别裂缝起裂应力，结合多级循环加载间应力增量的设置，获得定量识别结果范围。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法，包括以下步骤：
（1）将工程现场取回来的岩芯按照国际岩石力学学会标准加工成待测岩样；
（2）进行待测岩样的单轴压缩试验，测量并记录试验过程中的轴向应力值，获得岩样的单轴抗压强度σc；
（3）进行待测岩样多级循环加载下的声发射试验，测量并记录加载过程中的轴向应力和声发射信号；
（4）进行声发射试验中首次Felicity效应的识别，并根据建立的岩石裂缝起裂应力识别方法获得待测岩样的裂缝起裂应力范围。
所述步骤（1）中待测岩样为高50mm、直径25mm的小岩芯，小岩芯两端面平行度公差不大于0.1mm。
所述步骤（2）中，单轴压缩试验设备采用电液伺服控制的岩石加载系统，试验过程中的应力、应变数据能被系统采集并自动记录。
所述步骤（3）中，多级循环加载中第一级加载的峰值应力为0.3σc。
所述步骤（3）中，多级循环加载中循环加载间的应力增量为0.05σc。
所述步骤（3）中，当岩石声发射信号被换能器检测到后，信号经过放大、过滤处理，超过预定阈值的信号就会被系统采集记录，声发射探头和岩芯样品间的接触采用凡士林进行耦合处理。
所述步骤（4）中，建立的岩石裂缝起裂应力识别方法为：在多级循环加载声发射试验中，若首次Felicity效应发生在第i次加载过程中，i≥2，那么出现明显声发射信号处的应力值PAE(i) 必定小于第i-1次加载的峰值应力Pmax(i-1)，如果PAE(i)大于第i-2次加载的峰值应力Pmax(i-2)，那么岩石裂缝起裂应力的识别结果范围为PAE(i) 到Pmax(i-1)，否则，识别结果范围为Pmax(i-2)到Pmax(i-1)。
本发明中的单轴压缩试验和多级循环加载下的声发射试验均为现有技术，在此不再赘述。
声发射试验中的Felicity效应与岩石内部裂纹的扩展有密切关系，体现了岩石损伤累积的不可逆性。因此，利用岩石多级循环加载声发射试验中的Felicity效应进行裂缝起裂应力识别，具有良好的物理意义基础。
本发明具有如下有益效果：
（1）本发明提供的岩石裂缝起裂应力识别方法无需应变测量，降低了对试验设备的要求，同时避免了因应变数据测量不准确带来的识别结果误差；
（2）通过调整多级循环加载间应力增量的大小，可获得所需的裂缝起裂应力识别精度范围；
（3）避免了识别点的主观判读，保证了求解结果的客观性，可广泛应用于能源、水电、交通等工程领域的岩石力学性能研究。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的多级循环加载路径示意图；
图3为声发射试验系统图；
图4为实施例中岩样多级循环加载中的声发射信号图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
下面结合图1-图4对利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法作进一步说明：
（1）将从工程现场取回来的岩芯，利用岩芯钻、切、磨等设备按国际岩石力学学会（ISRM）标准加工成高50mm、直径25mm的小岩芯，磨平后的小岩芯两端面平行度公差不大于0.1mm。因天然岩石内部构造的随机差异性较大，为避免对试验结果造成影响，所选岩芯应避免肉眼可见的裂缝、空洞及夹杂物等的出现。
（2）将待测岩样进行单轴压缩试验，试验设备采用电液伺服控制的岩石加载系统，试验过程中的应力、应变等数据能被系统采集并自动记录。此处进行3块小岩芯的单轴压缩试验，得到平均单轴抗压强度σc为80.6MPa，记录的应变数据可为利用裂纹体积应变识别法进行验证使用。
（3）另选取待测岩样进行多级循环加载下的声发射试验，多级循环加载的路径如图2所示，第一级加载峰值应力为0.3σc （24.2MPa），循环加载间的应力增量为0.05σc （4MPa）。关于第一级加载的峰值应力和循环加载间的应力增量设置情况的说明：若第一级加载的峰值应力设置过小，会增加循环加载的次数，且岩石加载初始阶段的压密过程会产生干扰的声发射信号，已有的研究成果表明岩石裂缝的起裂发生在应力水平超过单轴抗压强度的30％之后，故第一级加载的峰值应力设置为0.3σc；根据本发明提供的裂缝起裂应力识别方法，循环加载间应力增量的大小直接关系到裂缝起裂应力识别结果的范围，应力增量越小，识别精度越高，但同时考虑到试验操作的繁琐程度和满足工程应用的需要，循环加载间的应力增量设置为0.05σc。声发射测试试验系统如图3所示，当岩石声发射信号被换能器检测到后，信号经过放大、过滤处理，超过预定阈值的信号就会被系统采集记录，为了尽量减小声学阻抗等的影响，声发射探头和岩芯样品间的接触采用凡士林进行耦合处理。
（4）在岩石声发射试验过程中，有时在未达到之前所受的最大应力时也会有明显的声发射信号出现，这种现象被称为Felicity效应，Felicity比定义如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式中：FR是Felicity比值，PAE 是当声发射信号开始出现时的应力值，Pmax是上级加载的最大应力值。当FR<1.0时，说明岩石声发射试验中产生了有效的Felicity效应。
待测岩样多级循环加载过程中监测到的声发射信号如图4所示，从图中可看出，在第四次加载过程中首先出现了Felicity效应，即当加载应力还未超过上一次（第三次）加载的最大应力时，就有明显的声发射信号出现。在第四次加载中，出现明显声发射信号处的应力值PAE(4) 为29.6MPa，小于第三次加载的峰值应力Pmax(3)（32.2MPa），如果PAE(4)大于第二次加载的峰值应力Pmax(2)，那么岩石裂缝起裂应力的识别结果范围为PAE(4) 到Pmax(3)，否则，识别结果范围为Pmax(2)到Pmax(3)。此处，Pmax(2)为28.2MPa，小于PAE(4)，故待测岩样裂缝起裂应力的识别结果范围为29.6-32.2MPa（0.37-0.4σc）。为了验证本发明提出的裂缝起裂应力识别方法的可靠性，利用广泛应用的裂纹体积应变曲线法对3块小岩芯进行裂缝起裂应力识别，读取在轴向应力—裂纹体积应变曲线中裂纹体积应变趋于0后（原有裂纹闭合）再次偏离0点处的应力值，得出裂缝起裂应力平均值为30.8MPa（0.38σc），在本发明的识别结果范围内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）将工程现场取回来的岩芯按照国际岩石力学学会标准加工成待测岩样；
（2）对待测岩样做单轴压缩试验，测量并记录试验过程中的轴向应力值，获得岩样的单轴抗压强度σc；
（3）进行待测岩样多级循环加载下的声发射试验，测量并记录加载过程中的轴向应力和声发射信号；
（4）进行声发射试验中首次Felicity效应的识别，并根据建立的岩石裂缝起裂应力识别方法获得待测岩样的裂缝起裂应力范围；建立的岩石裂缝起裂应力识别方法为：在多级循环加载声发射试验中，若首次Felicity效应发生在第i次加载过程中，i≥2，那么出现明显声发射信号处的应力值PAE(i) 必定小于第i-1次加载的峰值应力Pmax(i-1)，如果PAE(i)大于第i-2次加载的峰值应力Pmax(i-2)，那么岩石裂缝起裂应力的识别结果范围为PAE(i) 到Pmax(i-1)，否则，识别结果范围为Pmax(i-2)到Pmax(i-1)。
2.如权利要求1所述的利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法，其特征是，所述步骤（1）中待测岩样为高50mm、直径25mm的小岩芯，小岩芯两端面平行度公差不大于0.1mm。
3.如权利要求1所述的利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法，其特征是，所述步骤（2）中，单轴压缩试验设备采用电液伺服控制的岩石加载系统，试验过程中的应力、应变数据能被系统采集并自动记录。
4.如权利要求1所述的利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法，其特征是，所述步骤（3）中，多级循环加载中第一级加载的峰值应力为0.3σc。
5.如权利要求1所述的利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法，其特征是，所述步骤（3）中，多级循环加载中循环加载间的应力增量为0.05σc。
6.如权利要求1所述的利用声发射技术识别岩石裂缝起裂应力的方法，其特征是，所述步骤（3）中，当岩石声发射信号被换能器检测到后，信号经过放大、过滤处理，超过预定阈值的信号就会被系统采集记录，声发射探头和岩芯样品间的接触采用凡士林进行耦合处理。
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"Experimental study of Kaiser effect under cyclic compression and tension tests";Yulong Chen 等;《Geomechanics and Engineering》;20180210;第14卷(第2期);第203-209页 *
"等幅循环加载与分级循环加载下砂岩发射Felicity效应试验研究";陈宇龙 等;《煤炭学报》;20120229;第37卷(第2期);第226-230页 *
"脆性岩石起裂应力水平与脆性指标关系探讨";王宇 等;《岩石力学与工程学报》;20140228;第33卷(第2期);第264-275页 *

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