CN113433150A - 一种岩石封闭应力的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种岩石封闭应力的确定方法，涉及地质勘测技术领域，能够实现对岩石封闭应力的准确测量，为地质勘测提供依据；该方法步骤包括：S1、对岩石进行矿物成分测量，选择满足测试条件的岩石作为待测样品，并确定坐标系；S2、获取所述待测样品的X射线衍射光谱，根据X射线衍射光谱确定测量晶面；S3、对所述测量晶面进行步进扫描测试；S4、根据S3的测试结果计算封闭应力；S5、计算封闭应力的主应力大小和方向。本发明提供的技术方案适用于岩石封闭应力测量的过程中。

Description

一种岩石封闭应力的确定方法
技术领域
本发明涉及地质勘测技术领域，尤其涉及一种岩石封闭应力的确定方法。
背景技术
封闭应力是一种在消除外力或不均匀温度场等作用后仍留在材料内的自相平衡的内应力。封闭应力在金属加工领域是一种常见的物理现象，如金属材料焊接部位常常会有封闭应力存在，对于金属构件的安全性、疲劳强度有重要的影响。
类似于金属材料的机械加工和强化工艺所引起残余应力，岩石中的封闭应力是由于岩石材料在地质构造过程的特定温压环境下保存下来的一种应力，具有自平衡的内应力性质。由于岩石是一种非均质、各向异性和非完全弹性的材料，在经历构造加载和热加载作用后，岩石内部产生非相容的应变，即非均匀的粒间应力场，在卸载时仍能保留某些应力，并叠加在构造旋回期间的应力上。
岩石封闭应力被认为是引起是岩石工程灾害的重要原因，但对于岩石中封闭应力的认识，目前还处于概念提出和现象解释阶段，未见相关专利和文献对岩石封闭应力的确定方法有相关报道。
因此，有必要研究一种岩石封闭应力的确定方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种岩石封闭应力的确定方法，能够实现对岩石封闭应力的准确测量，为地质勘测提供依据。
本发明提供一种岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：
S1、对岩石进行矿物成分测量，选择满足测试条件的岩石作为待测样品，并确定坐标系；
S2、获取所述待测样品的X射线衍射光谱，根据X射线衍射光谱确定测量晶面；
S3、对所述测量晶面进行步进扫描测试；
S4、根据S3的测试结果计算封闭应力；
S5、计算封闭应力的主应力大小和方向。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述待测样品为平板样品，所述平板样品是沿岩石层面和垂直层面方向进行切割获得。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，确定的坐标系具体为：根据笛卡尔坐标系右手定则建立，X轴和Y轴平行于岩石层面，Z轴垂直于岩石层面。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中的测试条件包括：石英矿物含量≥80％，石英晶粒尺度小于40μm。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中获取X射线衍射光谱的方式为：采用X射线衍射仪对待测样品进行步进扫描，获得衍射角在10°-158°范围内的衍射光谱。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，采用X射线衍射仪对待测样品进行步进扫描的参数包括：扫描步长为≤0.1°，每步停留时间为0.1s-0.2s。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中确定测量晶面的方式包括：通过物相检索的方式，提取匹配良好的物相卡片，选取衍射强度高且无杂峰干扰的衍射峰，将该衍射峰所对应的衍射晶面作为测量晶面。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中步进扫描测试的内容包括：扫描步长为≤0.1°，每步停留时间为0.5s-0.7s，扫描获得不同ψ角下测量晶面的衍射图谱；利用X射线衍射仪在高角度衍射范围(80°-158°)开展步进扫描，确定不同方向衍射晶面的间距的变化。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4的内容包括：
S41、对步进扫描测试得到的I-2θ数据进行拟合；
S42、根据拟合曲线确定峰位，得到2θ值；2θ为衍射角；
S43、绘制2θ-sin2ψ散点图并进行直线拟合，获得直线斜率；ψ是衍射晶面(即测量晶面)法线与待测样品法线的夹角；
S44、根据直线斜率、所述测试晶面的弹性模量和泊松比，计算出封闭应力。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S5中计算主应力大小和方向的内容包括：针对测试点处的若干方向分别进行封闭应力的计算，根据得到的封闭应力和方向信息计算出主应力的大小和方向。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：基于X射线衍射法的岩石封闭应力测量和计算，获得可靠性高的岩石封闭应力；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：将岩石矿物含量和晶粒尺寸作为待测样品的确定标准，使得测试结果能够更好的反应岩石状态(因为岩石是一种多相、多晶体材料，封闭应力的测定需要以某一种矿物晶体为参考，且这种矿物含量要高，来确保不同方向X射线摄入时都有衍射现象；晶粒的尺寸不能过大，以满足X射线光斑涵盖尽可能多的晶粒；作为优选的方案，本发明建立了用石英矿物来标定岩石封闭应力的测试和计算方法，明确石英含量和尺寸要求)；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：通过2θ-sin2ψ散点图来确定直线斜率进行封闭应力的计算，简单有效，且准确性高；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：在确定要测量的衍射晶面之后，利用X射线衍射仪在高角度衍射范围(80°-158°)开展步进扫描，确定不同方向衍射晶面的间距的变化；普通的X射线衍射范围只有0°-90°，采用高角度范围的衍射晶面可以减少或避免织构对于封闭应力测量的影响，可获得相对理想的测量效果；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明在提出了岩石封闭应力测量方法之后，又提出了确定封闭应力主应力方向的方法，对同一个测试位置进行多个方向(至少3个)的测量，利用坐标系换算，可以获得封闭应力主应力的大小和方向。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的岩石残余应力测量方法的流程图；
图2是本发明一个实施例提供的坐标建立图示；
图3是本发明一个实施例提供的测量点布置图；
图4是本发明一个实施例提供的测量方向与主应力方向关系示意图；
图5是本发明一个实施例提供的(132)晶面不同ψ值下测量图谱；
图6是本发明一个实施例提供的2θ-sin2ψ拟合图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于X射线衍射法的岩石封闭应力测量和计算方法，通过X射线衍射法测量石英岩晶面间距的改变(如图5所示，不同ψ角时测得的衍射峰的中心位置出现了偏移，这个偏移量与衍射晶面间距是线性相关的)，采用sin2ψ法进行封闭应力强度的计算，根据测得3个方向的应力强度可计算得到主应力大小及方向，使岩石封闭应力的确定成为可能。如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1、制备测试样品：
沿岩石层面和垂直层面方向进行切样，采用线切割工艺制取平板样品，样品尺寸与X射线衍射仪样品台相匹配；将待测试的样品表面进行抛光处理，消除切割引起的样品表面应力和碎屑；根据笛卡尔坐标系右手定则建立平行层面的X轴和Y轴、垂直层面的Z轴坐标系。如图2所示。
步骤2、测定样品中的矿物成分及含量
利用阴极发光技术测量岩石中石英矿物的含量，选取石英矿物含量≥80％，石英晶粒尺度小于40μm的样品进行下一步测试。目前根据实验结果，采用石英含量进行判断，最后得到的封闭应力更加准确；其他矿物成分准确性较差，但是在测试设备和公式相配合的情况下，也可以使用。
步骤3、获取样品X射线衍射光谱
采用X射线衍射仪对样品进行步进扫描，获得包括衍射角至少10°-158°范围的衍射光谱；扫描步长：≤0.1°；每步停留时间：0.1s-0.2s，优选0.15s。
步骤4、选定测量晶面
根据样品X射线衍射光谱测试结果进行物相检索，提取在衍射角大于80°的光谱范围(即80°-158°)匹配良好的物相卡片；根据检索结果，选取衍射峰强度较高且无杂峰干扰的衍射峰，确定其所对应的衍射晶面；
步骤5、对所确定的衍射晶面进行步进扫描测试
根据该衍射晶面衍射峰的宽度，确定步进扫描衍射角范围；步进扫描的扫描步长：≤0.1°，每步停留时间：0.5s-0.7s(优选0.6s)；试样与探测器按θ-θ联动，ψ平面与测角仪2θ扫描平面垂直，逐步转动样品载物台，改变样品ψ角，扫描得不同ψ角下选定晶面的衍射图谱；ψ角是衍射晶面法线与样品法线的夹角；ψ平面即ψ角所在的平面。
步骤6、计算封闭应力的强度(封闭应力的强度是指封闭应力的值σ)
对得到的I-2θ数据进行拟合(如图5所示，I是指图的纵坐标Intensity的简写，表示衍射强度，2θ是指横坐标，表示衍射角；这里的I-2θ数据就是指图5中的各个衍射曲线及其相关数据)，拟合方法可以根据衍射图谱的特点，选择包括但不限于高斯曲线、多项式、最小二乘法……等在内的各种数学方法；
根据拟合曲线确定峰位，得到2θ值；绘制2θ-sin2ψ散点图并进行直线拟合，获得直线斜率M；
由选定晶面的弹性模量E和泊松比ν计算确定应力常数K和封闭应力σ；
σ＝K·M
Figure BDA0003138827260000061
Figure BDA0003138827260000062
其中：σ，封闭应力；
K，应力系数，由晶面弹性模量E和泊松比ν确定；
M，2θ对sin2ψ的变化斜率；
采用sin2ψ法计算直线斜率M。
步骤7、确定封闭应力的主应力大小及方向
按照步骤(5)-(6)确定的测试方法，对测试样品上每个测点处的3个方向(这三个方向可以是任意的三个方向，相邻两个方向优选保持45°以上间隔，方便计算)分别开展测试和计算，以确定岩石样品的表面应力状态；定义封闭应力主应力σ1的方向与X轴夹角为
Figure BDA0003138827260000074
待测试的3个方向应力
Figure BDA0003138827260000075
与X轴的夹角为0、π/4、π/2；根据3个方向测得的应力强度计算该处的主应力：
Figure BDA0003138827260000071
Figure BDA0003138827260000072
Figure BDA0003138827260000073
实施例1：
(1)岩样处理
含石英脉岩石沿岩石层面和垂直层面进行切样，样品尺寸为20mm×20mm×10mm。其坐标系的建立方式如图2所示。
(2)阴极发光测定岩石石英含量
利用阴极发光显微镜和Image J软件处理计算石英含量。
(3)获取样品X射线衍射光谱
设备参数：Bruker D8 Advance X射线衍射仪，配备尤拉环，采用Cu靶，波长
Figure BDA0003138827260000076
点焦斑，工作电压电流：40kV，40mA；光路：聚焦光路-Ni滤波片—准直管2.0mm。
对测定点进行全谱扫描。角度范围：10°-158°，扫描步长：0.1°，每步停留时间：0.15s。
(4)选定测量晶面
进行物相检索，匹配#99-0088PDF卡，选择(132)晶面进行测量。
(5)对所确定的衍射晶面进行步进扫描测试
确定测量范围：89.8°-92.4°。扫描步长：0.1°，每步停留时间：0.6s。试样与探测器按θ-θ联动，ψ平面与测角仪2θ扫描平面垂直，逐步转动样品载物台，改变样品ψ角，ψ角度取0°、9°、18°、27°、33°、39°、45°，在89.8°-92.4°处附近扫描得出不同ψ下(132)晶面衍射图谱，如图5所示。
(6)计算封闭应力的强度
对得到的I-2θ数据进行高斯拟合，确定峰位，绘制2θ-sin2ψ散点图进行直线拟合，获得直线斜率M＝0.007，极差R＝0.97。取E＝64GPa、ν＝0.29，θ0＝90.8902°，计算确定岩石封闭应力系数K；
σ＝K·M；
Figure BDA0003138827260000081
Figure BDA0003138827260000082
代入数据得
Figure BDA0003138827260000088
2θ-sin2ψ拟合图如图6所示。
(7)确定封闭应力的主应力方向
按照步骤(5)-(6)确定的测试方法，进行
Figure BDA0003138827260000083
方向封闭应力计算得：
Figure BDA0003138827260000084
根据3个方向测得的应力强度计算该处的主应力：
Figure BDA0003138827260000085
Figure BDA0003138827260000086
Figure BDA0003138827260000087
封闭应力方向与X轴的夹角为-29.07°，主应力σ1＝-207.08MPaσ2＝-43.08MPa。测量方向与主应力方向关系如图4所示。
以上对本申请实施例所提供的一种岩石封闭应力的确定方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：
S1、对岩石进行矿物成分测量，选择满足测试条件的岩石作为待测样品，并确定坐标系；
S2、获取所述待测样品的X射线衍射光谱，根据X射线衍射光谱确定测量晶面；
S3、对所述测量晶面进行步进扫描测试；
S4、根据S3的测试结果计算封闭应力；
S5、计算封闭应力的主应力大小和方向。
2.根据权利要求1所述的岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，所述待测样品为平板样品，所述平板样品是沿岩石层面和垂直层面方向进行切割获得。
3.根据权利要求2所述的岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，确定的坐标系具体为：根据笛卡尔坐标系右手定则建立，X轴和Y轴平行于岩石层面，Z轴垂直于岩石层面。
4.根据权利要求1所述的岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，步骤S1中的测试条件包括：石英矿物含量≥80％，石英晶粒尺度小于40μm。
5.根据权利要求1所述的岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，步骤S2中获取X射线衍射光谱的方式为：采用X射线衍射仪对待测样品进行步进扫描，获得衍射角在10°-158°范围内的衍射光谱。
6.根据权利要求5所述的岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，采用X射线衍射仪对待测样品进行步进扫描的参数包括：扫描步长为≤0.1°，每步停留时间为0.1-0.2s。
7.根据权利要求1所述的岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，步骤S2中确定测量晶面的方式包括：通过物相检索的方式，提取匹配良好的物相卡片，选取衍射强度高且无杂峰干扰的衍射峰，将该衍射峰所对应的衍射晶面作为测量晶面。
8.根据权利要求1所述的岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，步骤S3中步进扫描测试的内容包括：扫描步长为≤0.1°，每步停留时间为0.5-0.7s，扫描的衍射范围为80°-158°，获得不同ψ角下测量晶面的衍射图谱。
9.根据权利要求1所述的岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，步骤S4的内容包括：
S41、对步进扫描测试得到的I-2θ数据进行拟合；
S42、根据拟合曲线确定峰位，得到2θ值；
S43、绘制2θ-sin2ψ散点图并进行直线拟合，获得直线斜率；
S44、根据直线斜率、所述测试晶面的弹性模量和泊松比，计算出封闭应力。
10.根据权利要求1所述的岩石封闭应力的确定方法，其特征在于，步骤S5中计算主应力大小和方向的内容包括：针对测试点处的若干方向分别进行封闭应力的计算，根据得到的封闭应力和方向信息计算出主应力的大小和方向。
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