CN113945457B - 一种分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法，包括：利用巴西劈裂、三点弯曲和直接剪切三类岩石力学基础试验，分别提取张拉与剪切微破裂的声发射特征参数、张拉与剪切断口的粗糙度特征参数以及产生单位面积剪切与张拉裂纹的耗散能特征参数，根据以上参数确定岩石在真三轴等复杂卸荷应力条件下破坏后微破裂的张拉与剪切属性、断面的张拉与剪切占比以及张拉与剪切耗能，最后综合确定岩石在复杂卸荷应力条件下的破坏机制。本发明为揭示复杂卸荷应力条件下岩石的破坏机制提供了切实可行的创新思路。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学试验领域，尤其涉及一种分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法。
背景技术
在工程实践中，由开挖产生的卸荷效应引起的地质灾害在边坡、巷道、隧道和油田开采工程中时有发生，例如滑坡、岩爆等。岩爆灾害严重威胁着地下工程的安全开挖，例如，岩爆造成了锦屏二级水电站的重大人员伤亡。另外，随着开挖深度的增加，卸荷效应越发明显。因此，研究复杂卸载应力条件下的岩石破坏机制对灾害防治具有重要意义。
目前，多利用损伤力学与断裂力学理论从微观损伤累积、微裂纹起裂扩展到宏观的能量耗散等方面来研究卸荷应力条件下的破坏机制，但岩石的破坏总以剪切、张拉以及两者的耦合破坏形式呈现，而关于剪切与张拉在岩石破坏过程中各自发挥多少作用难以界定，因此，在对地下工程进行安全支护时难以提出精准的控制策略，因此有必要提出一套系统分析岩石在相对复杂卸载应力条件下破坏机制的方法，用于判别岩石破坏过程中张拉与剪切作用各自发挥的作用，为地下工程支护提供理论依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对岩石的破坏总以剪切、张拉以及两者的耦合破坏形式呈现，而关于剪切与张拉在岩石破坏过程中各自发挥多少作用难以界定的问题，提出了一种分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法。
本分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法包括：
步骤一：现场采集岩石样本，分别加工成单轴压缩、巴西劈裂、三点弯曲以及直接剪切试验所需大小的试验样品；
步骤二：开展单轴压缩试验，获取抗压强度、弹性模量以及泊松比平均值；
步骤三：分别开展巴西劈裂、三点弯曲以及直接剪切试验，并利用声发射系统监测上述三类试验过程中的微破裂信息及波形，获取以上三类试验过程中的荷载-位移曲线，其中直接剪切试验包含法向与切向两个方向的荷载-位移曲线；
步骤四：根据巴西劈裂和直接剪切试验后样品的断口数字图像，提取张拉与剪切断口的粗糙度特征参数，即相对粗糙度，其定义为数字图像灰度值的变异系数，计算公式为：
其中SDgraymatrix和Mgraymatrix分别是灰度矩阵的标准偏差和平均值。并绘制相对粗糙度分布直方图，确定剪切断口δ的95％置信区间的上限，拉伸断口δ的95％置信区间下限，这两个值的平均值作为区分拉伸和剪切断口的临界值；
步骤五：根据直接剪切和三点弯曲试验过程中的微破裂信息，提取张拉与剪切微破裂的声发射特征参数，利用线性分类器对直接剪切与三点弯试验过程所测声发射信号的上升时间与幅值的比值(RA)与平均频率(AF)的二维散点数据进行二分类，确定砂岩RA-AF坐标系下的临界斜率；
步骤六：根据直接剪切试验和三点弯曲试验提取产生单位面积剪切与张拉裂纹的耗散能特征参数，利用能量守恒原理确定产生单位面积张拉与剪切破坏的耗散能；
步骤七：开展复杂卸载应力条件下同种岩石的试验，通过评估破坏过程微裂纹的演变、张拉与剪切耗能、断口张拉与剪切作用占比，进而分析岩石破坏机理。
其中，步骤一中，单轴压缩试验、巴西劈裂试验、三点弯曲试验以及直接剪切试验的试验样品均分别设置5-6个。
其中，步骤三中，声发射系统为PCI-2声发射监测系统。
其中，步骤六中，产生单位面积剪切和张拉裂纹所消耗的能量估算公式分别为：
us和ut分别是产生每单位面积剪切和张拉裂纹所消耗的能量；As和At分别是剪切裂纹和张拉裂纹的有效面积，us和ut分别通过以剪切破坏为主的直接剪切试验和以拉伸破坏为主的三点弯曲试验获得。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明的分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法，用于判别岩石破坏过程中张拉与剪切作用各自发挥的作用，为地下工程支护提供理论依据，为揭示复杂卸荷应力条件下岩石的破坏机制提供了切实可行的创新思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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他的附图。
图1为本发明的实施流程图；
图2为实施例1中的相对粗糙度系数的分布示意图；
图3为直剪与三点弯曲试验过程所测声发射信号上升时间与幅值的比值(RA)与平均频率(AF)的数据二分类示意图；
图4为岩爆碎屑的图片(a)和碎屑对应δ的分布图(b)；
图5为岩爆破坏过程剪切裂纹与拉伸裂纹的比例变化线图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
应力卸载作用下的岩石破坏主要有两种形式：一种是由于剪切微裂纹的逐渐扩展贯通而引起的整体剪切破坏；另一种是由于卸荷效应引起的拉伸破坏，但是，岩石破坏后很难区分这两种破坏模式。针对这种情况，本发明提出了一种新颖的系统分析方法来揭示真三轴卸荷条件下岩石的破坏机理，并以此方法对岩石的破裂机理进行了分析。
请参见图1，图1为本发明的实施流程图。本发明提供了一种分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法，具体步骤如下：
步骤一：现场采集岩石样本，分别加工成单轴压缩、巴西劈裂、三点弯曲以及直接剪切试验所需大小的试验样品。单轴压缩试验、巴西劈裂试验、三点弯曲试验以及直接剪切试验的试验样品均分别设置5-6个。
步骤二：开展单轴压缩试验，获取抗压强度、弹性模量以及泊松比平均值。
步骤三：分别开展巴西劈裂、三点弯曲以及直接剪切试验，并利用PCI-2声发射监测系统监测上述三类试验过程中的微破裂信息及波形，获取以上三类试验过程中的荷载-位移曲线，其中直接剪切试验包含法向与切向两个方向的荷载-位移曲线。
步骤四：根据巴西劈裂和直接剪切试验后样品的断口数字图像，提取张拉与剪切断口的粗糙度特征参数，即相对粗糙度，其定义为数字图像灰度值的变异系数，计算公式为：
其中SDgraymatrix和Mgraymatrix分别是灰度矩阵的标准偏差和平均值。并绘制相对粗糙度分布直方图，确定剪切断口δ的95％置信区间的上限，拉伸断口δ的95％置信区间下限，这两个值的平均值作为区分拉伸和剪切断口的临界值。
步骤五：根据直接剪切和三点弯曲试验过程中的微破裂信息，提取张拉与剪切微破裂的声发射特征参数，利用线性分类器(LDA)对直接剪切与三点弯试验过程所测声发射信号的上升时间与幅值的比值(RA)与平均频率(AF)的二维散点数据进行二分类，确定砂岩RA-AF坐标系下的临界斜率；根据LDA的混淆矩阵，通常可以正确分类约91.8％的AE数据。
步骤六：根据直接剪切试验和三点弯曲试验提取产生单位面积剪切与张拉裂纹的耗散能特征参数，利用能量守恒原理确定产生单位面积张拉与剪切破坏的耗散能；产生单位面积剪切和张拉裂纹所消耗的能量估算公式分别为：
us和ut分别是产生每单位面积剪切和张拉裂纹所消耗的能量；As和At分别是剪切裂纹和张拉裂纹的有效面积，us和ut分别通过以剪切破坏为主的直接剪切试验和以拉伸破坏为主的三点弯曲试验获得。
对于三点弯曲试验，可以根据荷载-位移曲线计算出试验机输入的能量，通常，所有输入能量都用于产生张拉断裂，因此可将输入能量除以有效拉伸断裂面积，以获得产生单位面积拉伸裂纹所需能量，有效拉伸面积是通过表面裂纹的长度乘以厚度获得的。对于直接剪切试验，施加切向载荷时，法向载荷保持不变，试样在法向荷载方向产生回弹，且回弹过程法向载荷做负功。因此，由法向和切向载荷所做的总功即为输入能量。另外，输入能量减去弹性应变能和残余应变能即为产生剪切断裂所消耗的能量。使用破坏后剪切断口的二值化数字图像来估算有效剪切面积，即有效剪切面积为二值化图像中的白色区域所占面积。此外，拍摄数字图像时外部环境应尽可能保持一致。
步骤七：开展复杂卸载应力条件下同种岩石的试验，通过评估破坏过程微裂纹的演变、张拉与剪切耗能、断口张拉与剪切作用占比，进而分析岩石破坏机理。
具体实施例1如下：
分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法，具体步骤包括：
步骤一、现场采集砂岩试样，分别加工成
100*40*20mm和100*100*100mm的试样，每类试样包含5例样品，其中100*40*20mm的试样沿宽度方向(40mm所对应的方向)分别预制长度为4、8、12、16和20mm，宽度为0.5mm的裂缝；
步骤二、开展
砂岩的单轴压缩试验，得到其抗压强度平均值为41.7MPa，弹性模量和泊松比均值分别为6.82GPa和0.26；
步骤三、分别开展
试样的巴西劈裂试验、100*40*20mm试样的三点弯曲试验和100*100*100mm试样的直剪试验，获取不同试验条件时的荷载-位移曲线，并在试验过程中利用美国声学物理公司生产的PCI-2声发射监测系统监测加载过程的微破裂信息；
步骤四、收集巴西劈裂试验和直剪试验后的破坏试样，并拍摄断口的数字图像，并对图像进行二值化处理，获取数字图像的灰度矩阵，按下列δ计算公式计算得到相对粗糙度系数的分布如图2所示。得到剪切裂缝δ的95％置信区间的上限，拉伸断裂δ的95％置信区间下限的平均值为1.864。
其中SDgraymatrix和Mgraymatrix分别是灰度矩阵的标准偏差和平均值。
步骤五、利用Maltab中的线性分类器对直剪与三点弯曲试验过程所测声发射信号上升时间与幅值的比值(RA)与平均频率(AF)的数据进行二分类，分类结果如图3所示，得到砂岩RA-AF坐标系下区分张拉与剪切裂纹的临界斜率为1.2。
步骤六、根据直剪与三点弯曲试验的荷载-位移曲线计算得到压力机对试样所做功的平均值分别为：直剪为50.67J，三点弯曲为61.9mJ。而直剪断口的有效剪切面积为3319.3mm2，计算得到产生单位面积剪切裂纹耗能us为1.53mJ/mm2，张拉断口面积为381.85mm2,计算得到产生单位面积张拉裂纹耗能ut为0.16mJ/mm2。
步骤七、开展真三轴加载单面卸载的岩爆试验，同样利用声发射监测系统监测试验过程的裂纹演化过程，拍摄弹射碎屑和破坏断口的数字图像，经分析可得在岩爆破裂过程中，大部分(92.31％)的碎屑是通过张拉作用产生的，张拉面积是剪切面积的21.4倍，而剪切和拉伸裂纹所消耗的能量分别为13.31J和12.81J。此外，在岩爆试验过程中剪切裂纹与拉伸裂纹的比例直线下降。请参见图4-5，图4为碎屑的图片(a)和碎屑对应δ的分布图(b)，图5为剪切裂纹与拉伸裂纹的比例线图。
本发明利用巴西劈裂、三点弯曲和直接剪切三类岩石力学基础试验，分别提取张拉与剪切微破裂的声发射特征参数、张拉与剪切断口的粗糙度特征参数以及产生单位面积剪切与张拉裂纹的耗散能特征参数，具体为：利用线性分类器对声发射监测系统记录的张拉与剪切微破裂声发射信号的上升时间与幅值的比值(RA)与平均频率(AF)的二维散点数据进行分类，确定RA-AF坐标系下的临界斜率；利用张拉与剪切断口的数字图像的灰度直方图确定相对粗糙度系数；利用能量守恒原理确定产生单位面积张拉与剪切裂纹的耗散能。根据以上参数确定岩石在真三轴等复杂卸荷应力条件下破坏后微破裂的张拉与剪切属性、断面的张拉与剪切占比以及张拉与剪切耗能，最后综合确定岩石在复杂卸荷应力条件下的破坏机制，本发明为揭示复杂卸荷应力条件下岩石的破坏机制提供了切实可行的创新思路。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：现场采集岩石样本，分别加工成单轴压缩、巴西劈裂、三点弯曲以及直接剪切试验所需大小的试验样品；
步骤二：开展单轴压缩试验，获取抗压强度、弹性模量以及泊松比平均值；
步骤三：分别开展巴西劈裂、三点弯曲以及直接剪切试验，并利用声发射系统监测上述三类试验过程中的微破裂信息及波形，获取以上三类试验过程中的荷载-位移曲线，其中直接剪切试验包含法向与切向两个方向的荷载-位移曲线；
步骤四：根据巴西劈裂和直接剪切试验后样品的断口数字图像，提取张拉与剪切断口的粗糙度特征参数，即相对粗糙度，其定义为数字图像灰度值的变异系数，计算公式为：
其中SDgraymatrix和Mgraymatrix分别是灰度矩阵的标准偏差和平均值。并绘制相对粗糙度分布直方图，确定剪切断口δ的95％置信区间的上限，拉伸断口δ的95％置信区间下限，这两个值的平均值作为区分拉伸和剪切断口的临界值；
步骤五：根据直接剪切和三点弯曲试验过程中的微破裂信息，提取张拉与剪切微破裂的声发射特征参数，利用线性分类器对直接剪切与三点弯试验过程所测微破裂声发射信号的上升时间与幅值的比值(RA)与平均频率(AF)的二维散点数据进行二分类，确定砂岩RA-AF坐标系下的临界斜率；
步骤六：根据直接剪切试验和三点弯曲试验提取产生单位面积剪切与张拉裂纹的耗散能特征参数，利用能量守恒原理确定产生单位面积张拉与剪切破坏的耗散能；产生单位面积剪切和张拉裂纹所消耗的能量估算公式分别为：
其中，us和ut分别是产生每单位面积剪切和张拉裂纹所消耗的能量；As和At分别是剪切裂纹和张拉裂纹的有效面积，us和ut分别通过以剪切破坏为主的直接剪切试验和以拉伸破坏为主的三点弯曲试验获得；
步骤七：开展复杂卸载应力条件下同种岩石的试验，通过评估破坏过程微裂纹的演变、张拉与剪切耗能、断口张拉与剪切作用占比，进而分析岩石破坏机理。
2.根据权利要求1所述的分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法，其特征在于，所述步骤一中，单轴压缩试验、巴西劈裂试验、三点弯曲试验以及直接剪切试验的试验样品均分别设置5-6个。
3.根据权利要求1所述的分析岩石在复杂卸荷应力条件下破坏机制的方法，其特征在于，所述步骤三中，声发射系统为PCI-2声发射监测系统。
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