岩石应力记忆特性的声发射试验及理论研究

摘要

原地应力测量越来越受到地学界和工程界的重视，因为它是人们了解地壳岩石中应力状态最为直接的手段。凯塞效应（Kaiser Effect）测地应力方法因测试成本低、难度小，在国内外普遍受到重视。但是有关 Kaiser效应机理及其影响因素的一些问题尚未弄清，例如 Kaiser效应的方向性、应力水平、湿度、温度、加工应力等因素对凯塞效应的影响等，特别重要的是岩石试样脱离岩体后，其对应力的记忆性是否随时间推移而削弱或消失对试验结果的准确性影响很大。从岩石脱离岩体至最终加工成型再进行加载试验总是有一定的时间间隔，如果在这一时间间隔内岩对应力的记忆不准确或消失，试验结果将失去意义。纵观现有的研究成果，岩石对先期应力的记忆准确性是否受时间因素影响并无定论，而且均为试验结论，缺少相应的理论解释。
　　本文以砂岩为研究对象，利用WAW-1000型电液伺服试验系统和PCI-2全数字化声发射信号采集系统对轴心受压、三点弯曲和圆盘劈裂试验条件下的声发射特性和信号时频特征进行了较为深入的研究，主要研究内容如下：
　　①获得了砂岩单轴压缩、三点弯曲和圆盘劈裂试验下的Kaiser效应时间延迟变化规律。得出了砂岩单轴压缩试验 Kaiser效应存在时间延迟，三点弯曲试验Kaiser效应不存在时间延迟，圆盘劈裂试验 Kaiser效应是否存在时间延迟并不明确的结论。并拟合出费利西蒂比（Filicity Ratio，FR）与延迟时间的对应公式，对砂岩应力记忆规律进行了量化分析。同时还给出了相应的物理降噪方法。
　　②对不同长细比试件的单轴压缩试验，得出圆柱体试件长细比在2.5以内的Kaiser效应比长细比大于2.5明显的结论。对浸水后试件的单轴压缩试验，得出Kaiser效应试件浸水后将不能准确反应先期最大应力（拐点明显）的结论，Kaiser效应与试件的含水率有一定的联系。对花岗岩的单轴压缩试验，得出花岗岩的Kaiser效应不受时间延迟影响的结论。
　　③砂岩单轴压缩、三点弯曲和圆盘劈裂试验的三种试验方式，获得的应变曲线与声发射累计振铃数曲线的变化有明显对应关系，表明声发射现象与其裂纹的发展有关。循环加载过程中，砂岩单轴压缩试验的纵向应变竖直段（裂纹压密阶段）和纵向应变斜直线段（裂纹的开展）对应的声发射累计曲线陡增，表明砂岩单轴压缩试验声发射现象与裂纹压密和裂纹再次开展有对应关系；三点弯曲和圆盘劈裂试验的纵向应变曲线上升段（裂纹的开展）对应的声发射累计曲线陡增，表明三点弯曲和圆盘劈裂试验声发射现象与裂纹再次开展有对应关系。
　　④对声发射试验波形数据进行时频分析，建立了声发射信号波形的频谱分布与试件内部裂纹变化的对应关系，解释了砂岩应力记忆现象的物理意义。同时编制了运用主次频率差的波形特征搜索方法的Matlab程序，可对Kaiser点进行自动判断，并成功地对单轴压缩的Kaiser点进行了识别。
　　⑤从原裂纹在重复荷载作用下沿原有路径开裂难易程度的角度，建立了砂岩单轴压缩、三点弯曲和圆盘劈裂试验三种试验方式对应的二维力学模型，并对Kaiser效应时间延迟问题作了理论解释，其计算结果与试验结果吻合。同时借助颗粒流软件PFC对Kaiser效应时间延迟进行了再现，得出微裂纹接触面摩擦系数变化和再次加载应力路径变化是Kaiser效应时间延迟诱因的结论。

目录

1 绪 论

1.1 研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状及问题

1.3 主要研究内容、方法和技术路线

2 试验方案描述及降噪方法

2.1 试验设备

2.2 试件制作

2.3 试验方案

2.4 降噪方式

2.5 小结

3 不同时间间隔对岩石应力记忆影响的试验研究

3.1 引言

3.2 Kaiser点的判别及评价标准

3.3 直接加载至破坏的声发射试验（无时间延迟）

3.4 多级循环加载的声发射试验（无时间延迟）

3.5 圆柱体试件轴心受压时间延迟的声发射试验

3.6 棱柱体试件三点弯曲时间延迟的声发射试验

3.7 圆盘试件劈裂时间延迟的声发射试验

3.8 对砂岩Kaiser效应时间延迟试验结果的一些思考

3.9 小结

4 岩石声发射信号的时频分析

4.1 引言

4.2 声发射信号波形处理方法的选取

4.3 圆柱体轴心受压声发射波形时频特征

4.4 圆柱体轴心受压声发射波形时频特征（浸水）

4.5 棱柱体三点弯曲声发射波形时频特征

4.6 圆盘劈裂声发射波形时频特征

4.7 Kaiser点的频率特征及自动搜索方法

4.8 小结

5 砂岩Kaiser效应时间延迟机理分析

5.1 引言

5.2 与Kaiser效应时间延迟有关的岩石特性

5.3 砂岩单轴压缩试验下的Kaiser效应时间延迟机理分析

5.4 砂岩三点弯曲试验下的Kaiser效应时间延迟机理分析

5.5 砂岩圆盘劈裂试验下的Kaiser效应时间延迟机理分析

5.6 Kaiser效应时间延迟的数值分析

5.7 砂岩的应力记忆规律

5.8 小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 本文主要创新点

6.2 进一步研究的展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间撰写的主要学术论文

B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读博士学位期间参加的申请的发明专利