初始地应力场的声发射(Kaiser)效应测试及分析

发布网友 发布时间：2022-05-04 22:22

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热心网友 时间：2022-06-26 12:14

地应力测量的声发射方法是在现场采得定向岩心，在室内取定向试样放在压力机上加载检测岩石试样声发射。根据岩石声发射的凯瑟(Kaiser)效应，判定试样的先存应力，由此确定现场采岩心地点的地应力。目前声发射法地应力测量在国内外普遍受到重视。这不仅因为该法简便经济，更重要的是测量岩石历史最大应力，对于地球动力学、构造物理学、地质力学及工程应用，都具有重要意义。

声发射是材料内部储存的应变能快速释放时所产生的弹性波。当材料受力时，其中的细微裂纹随应力的增大而不断扩展。在进入非稳定破裂阶段以前，裂纹就不再扩展。然而这一过程是不可逆的，也就是说当材料中的应力卸除后，裂纹并不能愈合。当其重新受力时，在受力性状相同的条件下，应力水平达到先期受力水平以前，裂纹不扩展，一旦达到或接近先前受力水平，裂纹便开始扩展。裂纹的扩展引起岩石产生声发射(AE)，发出微弱的声音。这一现象，最先是由德国学者J.Kaiser于20世纪50年代在金属材料单向拉伸试验中发现的，故称之为Kaiser效应。60年代初美国岩石力学家R.E.Goodman用实验证实了岩石在压缩状态下的声发射也具有Kaiser效应，为利用Kaiser效应确定岩体天然应力状态奠定了基础。80年代以来，对岩石Kaiser效应的研究更加深入。试验中，人们发现岩石Kaiser效应具有多期性；从理论上，一些学者提出了“裂纹愈合”、“裂纹蠕变破裂”、“裂纹钝化”、“岩石Kaiser效应抹录不尽”(K.Michiniro，1985)等概念；在使用方法方面，提出了累计曲线突变点法(Kanagawa法，Boyce法，张大伦法，Yoshikawa-Moji法等)、拟合直线交点法及组合法等岩石Kaiser效应点判识法；在测试技术上，应用了主从鉴别、线定位以及一些特殊的噪声排除、隔离技术；在测试仪器设备上，程控伺服及低噪声试验机、智能化高灵敏度声发射测试仪和换能器也得以出现。这些都为目前利用Kaiser效应测试岩体天然应力状态奠定了良好的基础。

4.3.1 测试方法及成果整理

按照弹性理论，对于受力物体中的某一点，若已知其6个方向的应力分量，那么这一点的三向应力状态可以完全确定。

为此，将定向采取的完整岩样，按图4-5所示的6个方向，即X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X制取试件，并置于图4-6、4-7所示的测试系统中，在加载的同时，同步测定声发射特征参数，由此可获得每个试件的Kaiser效应点对应的荷载P_K。然后按下述步骤计算测点应力状态。

图4-5 定向试件的制取方向

Fig.4-5 The six directions of samples

4.3.1.1 计算各试件Kaiser 点应力σ_K

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

式中：σ_K——Kaiser点应力(MPa)；

P_K——Kaiser点荷载(kN)；

F——该试件截面积(cm²)。

4.3.1.2 求解应力分量

测点各方向正应力分量σ_K与应力分量σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx的关系为：

σ_K=A_k1σ_x+A_k2σ_y+A_k3σ_z+A_k4τ_xy+A_k5τ_yz+A_k6τ_zx (4-7)

式中：

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

l、m、n——方向余弦；

i——测试方向(i=1，2，…，6)；

j——i 方向的第j个试件(j=1，2，…，N)；

N——每个方向的试件数；

k=i·j。

式(4-7)的矩阵形式为：

[σ]^k=[A]·[σ] (4-9)

图4-6 岩石声发射Kaiser效应测试系统框图

1—AE探头；2—前置放大器；3—聚四氟乙烯及橡胶垫片

Fig.4-6 Chart of Kaiser effect testing of rock acoustic emission

1—Implement of seeking energy；2—Preamplifier；3—Teflon and rubber gasket

图4-7 岩石声发射Kaiser效应测试系统

Fig.4-7 System of testing Kaiser effect of rock acoustic emission

式中：[σ]^k为各方向正应力列阵；

[σ]为6个应力分量组成的列阵；

[A]为以式(4-8)为基本元素组成的N×6阶系数矩阵。

采用最小二乘法，可从式(4-9)中求得最佳应力分量[σ]。

4.3.1.3 求解主应力量值

解三次方程

σ³-J₁σ²+J₂σ-J₃=0 (4-10)

得各主应力量值

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

式中：P=

+J₂

θ=

+

J₁J₂J₃

ω=arccos

J₁、J₂、J₃为应力状态的三个不变量，分别为：

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

4.3.1.4 求解主应力方向

联解方程：

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

式中i=1，2，3，得

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

由此可据下式计算主应力的角度与方向：

二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题

式中：α——主应力σ₁与XOY平面的夹角；

β_i——主应力σ_i在XOY面上的投影与X轴的夹角。

上述计算已编制成程序，在计算机上可直接算出结果。

4.3.2 室内测试及成果分析

施工阶段，在预确定的研究断面取完整、新鲜的定向岩样。在室内将每个岩样按X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X六个方向制取试件。每个方向选取六个试件，每个试件尺寸为3cm×3cm×10cm左右。试样切、磨成形后，两加载端经双端面磨床精磨，使其平行度、垂直度与平整度得以充分保证。采用美国MTS815 Teststar程控伺服岩石刚性试验机和AE-400声发射测试仪进行试验测试。试验中，采取在试件两加载端面与试验机的上、下压头间垫以聚四氟乙烯与橡皮胶的方法，有效地防止了端部摩擦与噪声，并使试件受力均匀，保证了测试成果的可靠性。

图4-8是测试所得的部分试样声发射试验结果。图中横坐标为时间、纵坐标为声发射特征参数(即声发射次数与强度)。

图4-8 部分试样声发射特征图

Fig.4-8 Characteristic pattern of acoustic emission of the samples

隧道不同地段的地应力Kasier效应测试成果如表4-7所列。测试成果表明，二郎山隧道通过部位岩体的空间应力状态为：最大主应力σ₁为NWW方向，它与水平面的夹角不大，介于20°～40°之间(多数在20°附近)，其量级总体上是中间大(最大值为34.9MPa)、两侧变小；中间主应力σ₂与水平面的夹角较大，总体上在50°～70°之间，其量级与自重应力(γh)比较接近；最小主应力σ₃为NNE方向，它与水平面的夹角较小，介于3°～20°之间，故近于水平，其量级约等于自重应力衍生的水平应力再加1～3MPa之和。这一应力特征符合区域内二郎山断裂带的近期活动方式。

施工阶段地应力Kaiser效应测试成果反应了地应力实测断面附近的高地应力状态，但比勘察设计阶段水压致裂法在该测点附近的测试成果低，这为隧道支护的优化设计提供了很重要的地应力信息。

表4-7 二郎山公路隧道地应力Kaiser效应测试成果表　Tab.4-7 Measured value of Kaiser effect of geostress in Erlangshan highway tunnel