圍壓條件下巖石kaiser效應測量地應力試驗

2018-05-21 08:46:44黃正均

實驗室研究與探索 2018年4期

黃正均，張磊，劉鈺，張棟

(北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083)

0 引言

地應力是決定巖土地下工程中巖體變形、失穩及破壞最基本的條件之一，其對采礦、土木、水利、公路、隧道等巖土工程設計、施工都具有非常重要的意義[1]。地應力的準確有效測量一直成為巖石力學與工程領域的關鍵問題。目前地應力測量的方法主要有水壓致裂法、應力解除法、地球物理探測法等，而利用聲發射kaiser效應進行測量，則為其提供了一種更為簡便、經濟、高效的室內測量方法，目前也得到廣泛的研究和應用[2-3]。

巖石聲發射kaiser效應的力學本質是巖石受原地應力作用所形成的特定微裂隙在達到并超過先期載荷作用下，裂紋重新活動、并繼續擴張的客觀反映。丁原辰等[4]利用聲發射“抹錄不凈”現象，對巖樣進行多次單軸壓縮，有效測得了各方向的主應力值。文獻[5-13]中利用聲發射凱塞爾效應，對定向巖芯進行單軸壓縮試驗，均獲得了較為理想的測點地應力結果。李造鼎等[14]通過分析聲發射凱塞爾效應測量地應力的方法和存在問題，揭示了凱塞爾效應存在與巖石彈性階段、記憶現今應力，且圍壓對其影響較小。

雖然近30年來針對聲發射效應進行地應力測量的相關研究較多，也取得豐富的成果，但幾乎都是在單軸壓縮的條件下進行，而對三軸壓縮(即有圍壓)下聲發射效應測量地應力研究卻比較鮮見。由于巖樣單軸壓縮時的端部效應，以及鉆孔取樣擾動等因素影響，導致巖樣在進行單軸壓縮時容易出現聲發射干擾信號，甚至在Kaiser效應點前發生破壞，因此無法準確利用Kaiser效應點應力來確定所在地層原地應力大小。加之有學者研究表明圍壓對凱塞爾效應的影響很小[14]，故可利用三軸圍壓條件以減小端部效應的影響，并提高巖石的強度，以便于更容易獲取巖石的Kaiser效應點應力。為此，本文提出了圍壓下的聲發射Kaiser效應試驗，旨在提高巖樣的抗壓強度，希望Kaiser點可以順利地在巖樣發生破壞前被明顯的探測到。

1 試驗設備與步驟

1.1 試樣制備

試驗采用某工程現場所取130 mm直徑巖芯，再進行室內定向鉆取試樣。取樣方向如圖1所示，每個方向各取2塊，尺寸規格為?25 mm×50 mm圓柱體。試樣加工精度滿足ISRM和《工程巖體試驗方法標準》等國內外試驗方法規程要求：① 高、徑(或邊長)≥最大顆粒直徑的3倍，高徑比為2.0～2.5；② 整個高度的直徑誤差≤0.3 mm；③ 端面不平行度誤差≤0.05 mm；不平整度誤差≤0.02 mm；④ 垂直度偏差≤0.25°。

1.2 試驗設備及過程

試驗加載采用美國MTS公司的MTS 815巖石力學測試系統(見圖2)，聲發射采集采用美國聲學物理(PAC)公司的PCI-II聲發射監測系統，圍壓下聲發射效應法測定地應力實驗系統設計如圖3所示。

圖1 試樣取樣方向圖2 MTS815巖石力學測試系統

圖3 圍壓下聲發射法測試地應力示意圖

試驗加載前在試樣兩端面貼上醫用膠布，以減少初始接觸時端部摩擦所產生的噪聲干擾。AE探頭與試樣用凡士林耦合接觸，并用膠帶或皮筋固定。每個試樣均先施加圍壓至2 MPa，保持恒定，再采用載荷控制方式進行軸向壓縮加載，速率為200 N/s，聲發射采集門檻設定為35 dB，前放增益40 dB。為保證試驗準確性，試驗加載與聲發射監測同時開始記錄?？紤]到聲發射kaiser效應點具有一定的不確定性，以及聲發射具有的“抹錄不凈”現象[5]，試驗采用對同一個試樣進行多次反復加卸載的方式進行，共經歷初壓、復壓2次加載，每次加載均在試樣彈性段進行(事先測試試樣的強度及模量等)。

2 地應力計算

2.1 應力記憶分析法

本次試驗由于只鉆取了x、y、z、及xy45° 4個方向的巖芯，因此只能確定3個主應力的大小和水平投影夾角，對其方位角和傾角暫時不能確定。各試樣kaiser效應點應力值由測量值加上圍壓σ0：

(1)

各方向地應力分量：

(2)

3個主應力大小：

σV=σ⊥

(3)

(4)

(5)

式中：σx、σy、σz、σxy分別為x、y、z、xy45°方向Kaiser點應力值，MPa；θ為相對于x或0°方向的水平投影角。

2.2 應變記憶分析法

同時，根據巖石聲發射屬于應變記憶的原理，利用應變分析法計算各方向試樣的Kaiser效應的應變量，再根據虎克定律計算3個主應力大小和水平投影夾角[15-17]：

(6)

(7)

(8)

式中：εH、εh分別為最大、最小水平主應變；E、ν分別為巖石彈性模量、泊松比。

3 試驗結果

3.1 Kaiser效應點的確定

通過試驗過程中記錄的巖石加載時間、載荷、應力、應變以及聲發射事件數、振鈴計數、能量等數據，綜合分析樣品每次加載的應力-應變曲線、聲發射累計數-載荷(應力)曲線、聲發射累計數-應變曲線、振鈴計數-載荷(應力)曲線、累計數-應變曲線等，最終選取聲發射累計數與振鈴計數作為綜合考量參數，確定試樣的聲發射Kaiser特征點，如圖4～6所示。同時考慮試樣的不均勻性及初期端部摩擦噪聲等干擾信號，對每個試樣的多次加載過程進行對比分析，求取多次出現且最為接近的起飛點應力平均值作為最終Kaiser效應點應力值。