CN113607547B - 一种基于岩石裂隙初始点的弹性应变能获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于岩石裂隙初始点的弹性应变能获取方法，其包括取岩石试样进行岩石力学单轴压缩试验，并将岩石试样与声发射仪连接，在实验过程中测得相互对应的应变、应力及声发射信号；将声发射仪监测到第一个明显的振铃计数突变值的时刻认定为岩石的裂隙初始点；根据裂隙初始点将岩石压缩过程分为两个阶段，分别求取两个阶段的岩石弹性应变能；本发明基于岩石裂隙初始点的弹性应变能获取方法将岩石弹性应变能分为两个阶段进行求取，且依据弹性变形阶段所对应的弹性模量和泊松比进行弹性应变能的计算，得到的弹性应变能准确度更高。

Description

一种基于岩石裂隙初始点的弹性应变能获取方法

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，特别涉及一种获取岩石的弹性储能值的方法。

背景技术

从能量角度研究深部岩石力学问题，能量在岩石系统中主要经历了以下过程：外界能量输入到深部岩石系统中，以弹性应变能的形式储存，随着岩石受载产生变形，能量以破碎能和摩擦能的形式被消耗。在岩石破坏的能量演化过程中，峰前积聚的弹性应变能越多，峰后应力–应变曲线跌落越快，岩石峰后破裂过程所需的外部机械能越少。

在研究岩石弹性储能的过程中，学者们对计算过程中泊松比和弹性模量的取值方法众说纷纭。一般来说，裂隙初始应力和裂隙贯通应力是岩石受单一载荷作用时的固有应力性质，与加载条件无关。但是，峰值应力不是岩石的固有应力性质，它受加载速率及加载压力等加载条件的影响。同时在岩石压缩过程中，应力-应变曲线中压密阶段是吸收弹性应变能的过程，弹性阶段既吸收弹性应变能又产生耗散能，在弹性阶段由于既有弹性应变能又含有耗散能，按照经典的弹性应变能计算公式，此阶段的弹性应变能不能精确的计算求解出来。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于岩石裂隙初始点的弹性应变能获取方法，以解决现有计算方法无法准确得到岩石压缩过程中所存储弹性应变能的技术问题。

本发明基于岩石裂隙初始点的弹性应变能获取方法，包括以下步骤：

步骤1：取岩石试样进行岩石力学单轴压缩试验，并将岩石试样与声发射仪连接，在实验过程中测得相互对应的应变、应力及声发射信号；

步骤2：将声发射仪监测到第一个明显的振铃计数突变值的时刻认定为岩石的裂隙初始点；

步骤3：根据裂隙初始点将岩石压缩过程分为两个阶段，第一阶段为压缩开始至裂隙初始点，第一阶段为岩石压密过程；第二阶段由裂隙初始点至岩石应力达到峰值，第二阶段包括岩石弹性变形和岩石塑性变形两个过程；

根据岩石力学单轴压缩试验得到的应力和应变，以O为坐标原点，应变为横坐标，应力为纵坐标，绘制应力-应变曲线，岩石压缩第一阶段存储的弹性应变能ω由如下公式计算得到：

上式中ε为应变值，σ为应力值，在横坐标上找出B点，B点的应变值为裂隙初始点对应的应变值，在应力应变曲线上找出A点，A点对应的应变值与B点相等，求得的OAB的面积ω即为岩石存储的弹性应变能；

岩石压缩第二阶段存储的弹性应变能U由如下公式计算得到：

上式中σ₁为轴向应力，σ₂和σ₃为环向应力、单轴压缩实验中σ₂和σ₃为0，μ和E分别是弹性变形阶段的泊松比和弹性模量。

本发明的有益效果：

本发明基于岩石裂隙初始点的弹性应变能获取方法，通过声发射仪器监测到岩石的裂隙初始点，并根据裂隙初始点和岩石应力峰值，将岩石弹性应变能的计算分为两个阶段，并依据裂隙初始点所对应的弹性模量和泊松比对第二阶段的岩石弹性应变能进行计算，能更精确的获得岩石压缩第二阶段存储的弹性应变能，降低耗散能的影响；同时本发明方法操作简单，易于推广。

附图说明

图1声发射信号与岩石轴向应变对应图；

图2岩石弹性应变能求取示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本实施例中基于岩石裂隙初始点的弹性应变能获取方法包括以下步骤：

步骤1：取岩石试样进行岩石力学单轴压缩试验，并将岩石试样与声发射仪连接，在实验过程中测得相互对应的应变、应力及声发射信号；

步骤2：将声发射仪监测到第一个明显的振铃计数突变值的时刻认定为岩石的裂隙初始点；

步骤3：根据裂隙初始点将岩石压缩过程分为两个阶段，第一阶段为压缩开始至裂隙初始点，第一阶段为岩石压密过程；第二阶段由裂隙初始点至岩石应力达到峰值，第二阶段包括岩石弹性变形和岩石塑性变形两个过程；

根据岩石力学单轴压缩试验得到的应力和应变，以O为坐标原点，应变为横坐标，应力为纵坐标，绘制应力-应变曲线，岩石压缩第一阶段存储的弹性应变能ω由如下公式计算得到：

上式中ε为应变值，σ为应力值，在横坐标上找出B点，B点的应变值为裂隙初始点对应的应变值，在应力应变曲线上找出A点，A点对应的应变值与B点相等，求得的三角形OAB的面积ω即为岩石存储的弹性应变能；

岩石压缩第二阶段存储的弹性应变能U由如下公式计算得到：

上式中σ₁为轴向应力，σ₂和σ₃为环向应力、单轴压缩实验中σ₂和σ₃为0，μ和E分别是弹性变形阶段的泊松比和弹性模量。

本实施例基于岩石裂隙初始点的弹性应变能获取方法将岩石弹性应变能分为两个阶段进行求取，且依据裂隙初始点所对应的弹性模量和泊松比进行弹性应变能的计算，得到的弹性应变能准确度更高。

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当中。

Claims (1)

1.一种基于岩石裂隙初始点的弹性应变能获取方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：取岩石试样进行岩石力学单轴压缩试验，并将岩石试样与声发射仪连接，在实验过程中测得相互对应的应变、应力及声发射信号；

步骤2：将声发射仪监测到第一个明显的振铃计数突变值的时刻认定为岩石的裂隙初始点；

步骤3：根据裂隙初始点将岩石压缩过程分为两个阶段，第一阶段为压缩开始至裂隙初始点，第一阶段为岩石压密过程；第二阶段由裂隙初始点至岩石应力达到峰值，第二阶段包括岩石弹性变形和岩石塑性变形两个过程；

根据岩石力学单轴压缩试验得到的应力和应变，以O为坐标原点，应变为横坐标，应力为纵坐标，绘制应力-应变曲线，岩石压缩第一阶段存储的弹性应变能ω由如下公式计算得到：

上式中ε为应变值，σ为应力值，在横坐标上找出B点，B点的应变值为裂隙初始点对应的应变值，在应力应变曲线上找出A点，A点对应的应变值与B点相等，求得的OAB的面积ω即为岩石存储的弹性应变能；

岩石压缩第二阶段存储的弹性应变能U由如下公式计算得到：

上式中σ₁为轴向应力，σ₂和σ₃为环向应力、单轴压缩实验中σ₂和σ₃为0，μ和E分别是弹性变形阶段的泊松比和弹性模量。