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不同应力途径对岩石声发射Kaiser 效应的影响

宣布日期:2017-05-06 09:54    阅读次数:次

作者:李元辉
摘   要: 为领会在轮回加载进程中利用不同应力途径岩石声发射Kaiser 效应的特点,接纳岩石分裂进程阐发软件(RFPA2D) 对三种不同应力途径下岩石试样的声发射特点停止了数值计较。在轮回加载中接纳不同的应力途径对试样加载,在二次加载进程中仍能观察到清晰的Kaiser 效应,可是KF 值却与先前的最大应力值有较大不同·研讨成果标明,岩石Kaiser 影象的实在内容不是先前所受的最大应力,而是岩石外部的毁伤水平·利用从原岩中取样,在尝试室做单轴紧缩声发射尝试观察KF 值的方式测得的应力值与实在的原岩应力有较大的不同·这一论断对进一步熟悉Kaiser 效应的本色和用Kaiser 效应精确的测定原岩应力有主要的感化。

关 键 词: 声发射; Kaiser 效应;应力途径;数值尝试;原岩应力

1953 年,德国迷信家Kaiser 起首发明金属资料在受载进程中的声发射具备不可逆景象[1 ] ,即对资料停止反复加载时,只要载荷到达资料先前所受的最大载荷后,才会有较着的声发射发生,资料的这类“影象”景象被称为Kaiser 效应。1963年,Goodman 经由进程尝试发明在岩石资料中也存在Kaiser 效应。尔后, Kaiser 效应就因其能直观表现岩石的影象才能而备受存眷,并且被普遍地应
用于测试原岩应力。
岩石声发射Kaiser 效应的力学本色是岩石遭到载荷后外部的毁伤会增添(新的微裂纹呈现或原有微裂纹扩大) ,从头加载时,只要在到达先前最大载荷后新的毁伤才会从头扩大·Kaiser 效应表现的是岩石对所履历的外部环境的影象,而实在质是岩石对本身遭到的毁伤水平的影象,它明白抒发了岩石资料粉碎进程的不可逆性。
在用Kaiser 效应测定原岩应力时,凡是接纳的方式是在原始岩芯上取6 个(或9 个) 标的目的上的试样,在尝试室里做单轴紧缩声发射尝试,测得各试样的Kaiser 效应点应力,以此应力值做为该试样标的目的上的最大应力,而后用弹性力学现实求出岩芯所处环境的原岩应力。可是,用此方式测试时的试样已离开了原始地质环境,文献标明不同的应力途径对岩石所形成的毁伤水平是不一样的。尝试室对岩石试样的单轴紧缩与岩样所受的原岩应力较着不是统一个应力途径,以是单轴紧缩所测的Kaiser 效应点应力是不是便是试样在原始地质环境中该标的目的上的最大应力值得思疑。
为此, 本文利用岩石分裂进程阐发软件(RFPA2D) , 接纳不同的应力途径对岩石试样轮回加载, 以切磋不同应力途径对Kaiser 效应的影响。对于RFPA 的详细利用方式、功效及道理的先容见文献。

1  数值模子设定
本文接纳立体应力模子, 试样的尺寸为100 mm ×50 mm ,模子别离为200 ×100 个单位。设定试样的力学性子(单位的弹模及强度) 从命Weibull 散布 2  尝试成果及阐发
为了更清晰地熟悉不同的应力途径对Kaiser效应的影响,起首对试样停止最简略的单轴轮回紧缩尝试,获得了声发射累计数与应力干系曲线(图1) 和加载步与应变和声发射(AE) 数的干系图(图2) ,与实在尝试成果很是符合。从图1 ,图2 中能够看出,单轴轮回加载前提下,能够清晰地观察到Kaiser 效应,并且Kaiser 效应非常精确地影象了试样先前所受的最大应力,即Felicity 比值(FR)即是1。

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2. 1  加载途径的挑选
按照软件本身的功效并连系用Kaiser 效应测试应力的现实环境,挑选三种加载途径:
(1) 首轮回单轴加载,位移节制,每步加载01002 mm ,加载至0106 mm 后卸载,二次加载时加上围压(别离为5 ,10 ,15 ,20 ,30 MPa) ,轴向加载进程与首轮回不异,加载至试样粉碎,此加载途径记为途径Ⅰ;
(2) 首轮回惯例三轴加载(围压别离为5 ,10 ,15 ,20 ,30 MPa) ,轴向接纳位移节制加载,每步加载01002 mm ,加载至011 mm 后卸载,二次加载接纳单轴加载,加载至试样粉碎,此途径记为途径Ⅱ;
(3) 首轮回惯例三轴加载,与途径Ⅱ首轮回不异,卸载时先卸围压,每步015 MPa ,而后卸轴压,二次加载仍接纳单轴加载,加载至试样粉碎,此途径记为途径Ⅲ·
2. 2  尝试成果
(1) 途径Ⅰ
从图3 能够看出, 二次加载加上围压后,Kaiser 效应点的应力值(以下简称KF 值) 呈现较着的滞后景象,并且围压越大KF 值越滞后。图4显现Felicity 比值跟着二次加载时围压值的增大而增大,但不同围压下的FR 几近都处于统一直线上。

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(2) 途径Ⅱ
此加载途径与用Kaiser 效应测原岩应力时试样遭到的应力途径非常近似。图5 显现,二次加载时因为卸去了围压, KF 值呈现较着的超前景象,即单轴紧缩测得的KF 值比先前有围压加载时的最大应力要小,并且围压对KF 值的影响很大。如图6 ,初次加载时加5 MPa 围压,则测得的KF 值仅为先前最大应力的43 %( FR = 0143) ,围压越大, 对FR 值的影响越大, 当围压到达30MPa 时,测得的FR 值仅为0.10。

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(3) 途径Ⅲ
图7 显现,在坚持轴向变形的环境下卸围压,固然轴向应力减小,但试样外部微裂纹持续发生和扩大,表现为声发射数持续增添。二次加载时接纳单轴加压, KF 值与首轮回进程中卸围压至零时的轴向应力相称,而并非即是试样先前所受的最大轴向应力。

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2. 3  成果阐发
从以上成果可知,试样遭到不同的应力途径加载,Kaiser 效应影象先前最大应力的精确性遭到很大影响。
起首,在加载途径Ⅰ下,因为二次加载时加上了围压,要使先前发生的裂纹持续扩大则必必要跨越先前最大载荷,以是声发射的规复呈现滞后景象。而当途径为Ⅱ时,环境则恰好相反,因为初次加载有围压的掩护感化,使微裂纹的呈现和扩大必要比单轴加载时更大的轴向应力,二次加载时去掉了围压,以是在还不到达先前最大的轴向应力时就有AE 事务呈现,声发射的规复表现出超前景象。

接纳途径Ⅲ加载时,在坚持轴向应变卸围压时,固然轴向应力逐步减小,但试样持续遭到毁伤,声发射数持续增添。二次加载时KF 值与首轮回进程中卸围压至零时的轴向应力相称,较着Kaiser 效应影象的并不是最大轴向应力,而是试样在首轮回加载进程中所受的最大毁伤。
从以上成果和阐发可知,对试样接纳不同应力途径轮回加载时,二次加载进程中都能观察到近似的“Kaiser 效应”,但Kaiser 效应影象的并不是试样先前所受的最大应力,而应当是试样外部的最大毁伤水平,图7 更是很是抽象地抒发了这类景象。

3  论断与会商
经由进程利用RFPA2D软件对岩石试样在三种不同轮回应力途径下的声发射特点停止了数值尝试,发明试样前后遭到不同的应力途径加载时,在二次加载进程中仍能观察到清晰的“Kaiser 效应”,但KF 值并不即是先前的最大应力值。以是Kaiser 效应影象的实在内容不是岩石先前所受的最大应力而是岩石外部的毁伤水平,从图3 ,图5 ,图7 能够清晰地观察到这一景象,这更进一步验
证了Kaiser 效应的本色。
迄今为止, Kaiser 效应的最大用处是用于测定原岩应力。按照加载途径Ⅱ下的尝试成果, 利用从原岩中取样而后在尝试室单轴加载测定KF值的方式测得的成果与实在原岩应力值有很大不同。如要精确地测定原岩应力, 必须在尝试室重现试样先前所受的应力途径, 而这又是不可操纵的。如前所述, Kaiser 影象的是岩石外部的毁伤水平, 以是若何从岩石毁伤的角度用尝试室测得的KF 值猜测实在的原岩应力, 是利用Kaiser 效应精确测定原岩应力必必要处理的课题。

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