圍壓條件下巖石kaiser效應(yīng)測量地應(yīng)力試驗

黃正均， 張 磊， 劉 鈺， 張 棟

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

地應(yīng)力是決定巖土地下工程中巖體變形、失穩(wěn)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(shè)計、施工都具有非常重要的意義[1]。地應(yīng)力的準(zhǔn)確有效測量一直成為巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。目前地應(yīng)力測量的方法主要有水壓致裂法、應(yīng)力解除法、地球物理探測法等，而利用聲發(fā)射kaiser效應(yīng)進行測量，則為其提供了一種更為簡便、經(jīng)濟、高效的室內(nèi)測量方法，目前也得到廣泛的研究和應(yīng)用[2-3]。

巖石聲發(fā)射kaiser效應(yīng)的力學(xué)本質(zhì)是巖石受原地應(yīng)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(xù)擴張的客觀反映。丁原辰等[4]利用聲發(fā)射“抹錄不凈”現(xiàn)象，對巖樣進行多次單軸壓縮，有效測得了各方向的主應(yīng)力值。文獻[5-13]中利用聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)，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(yīng)力結(jié)果。李造鼎等[14]通過分析聲發(fā)射凱塞爾效應(yīng)測量地應(yīng)力的方法和存在問題，揭示了凱塞爾效應(yīng)存在與巖石彈性階段、記憶現(xiàn)今應(yīng)力，且圍壓對其影響較小。

雖然近30年來針對聲發(fā)射效應(yīng)進行地應(yīng)力測量的相關(guān)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(fā)射效應(yīng)測量地應(yīng)力研究卻比較鮮見。由于巖樣單軸壓縮時的端部效應(yīng)，以及鉆孔取樣擾動等因素影響，導(dǎo)致巖樣在進行單軸壓縮時容易出現(xiàn)聲發(fā)射干擾信號，甚至在Kaiser效應(yīng)點前發(fā)生破壞，因此無法準(zhǔn)確利用Kaiser效應(yīng)點應(yīng)力來確定所在地層原地應(yīng)力大小。加之有學(xué)者研究表明圍壓對凱塞爾效應(yīng)的影響很小[14]，故可利用三軸圍壓條件以減小端部效應(yīng)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(yīng)點應(yīng)力。為此，本文提出了圍壓下的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)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(fā)生破壞前被明顯的探測到。

1 試驗設(shè)備與步驟

1.1 試樣制備

試驗采用某工程現(xiàn)場所取130 mm直徑巖芯，再進行室內(nèi)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(guī)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(biāo)準(zhǔn)》等國內(nèi)外試驗方法規(guī)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(shè)備及過程

試驗加載采用美國MTS公司的MTS 815巖石力學(xué)測試系統(tǒng)(見圖2)，聲發(fā)射采集采用美國聲學(xué)物理(PAC)公司的PCI-II聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，圍壓下聲發(fā)射效應(yīng)法測定地應(yīng)力實驗系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

圖1 試樣取樣方向圖2 MTS815巖石力學(xué)測試系統(tǒng)

圖3 圍壓下聲發(fā)射法測試地應(yīng)力示意圖

試驗加載前在試樣兩端面貼上醫(yī)用膠布，以減少初始接觸時端部摩擦所產(chǎn)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(fā)射采集門檻設(shè)定為35 dB，前放增益40 dB。為保證試驗準(zhǔn)確性，試驗加載與聲發(fā)射監(jiān)測同時開始記錄?？紤]到聲發(fā)射kaiser效應(yīng)點具有一定的不確定性，以及聲發(fā)射具有的“抹錄不凈”現(xiàn)象[5]，試驗采用對同一個試樣進行多次反復(fù)加卸載的方式進行，共經(jīng)歷初壓、復(fù)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(yīng)力計算

2.1 應(yīng)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(yīng)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(yīng)點應(yīng)力值由測量值加上圍壓σ0：

(1)

各方向地應(yīng)力分量：

(2)

3個主應(yīng)力大?。?/p>

σV=σ⊥

(3)

(4)

(5)

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

2.2 應(yīng)變記憶分析法

同時，根據(jù)巖石聲發(fā)射屬于應(yīng)變記憶的原理，利用應(yīng)變分析法計算各方向試樣的Kaiser效應(yīng)的應(yīng)變量，再根據(jù)虎克定律計算3個主應(yīng)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(yīng)變；E、ν分別為巖石彈性模量、泊松比。

3 試驗結(jié)果

3.1 Kaiser效應(yīng)點的確定

通過試驗過程中記錄的巖石加載時間、載荷、應(yīng)力、應(yīng)變以及聲發(fā)射事件數(shù)、振鈴計數(shù)、能量等數(shù)據(jù)，綜合分析樣品每次加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、聲發(fā)射累計數(shù)-載荷(應(yīng)力)曲線、聲發(fā)射累計數(shù)-應(yīng)變曲線、振鈴計數(shù)-載荷(應(yīng)力)曲線、累計數(shù)-應(yīng)變曲線等，最終選取聲發(fā)射累計數(shù)與振鈴計數(shù)作為綜合考量參數(shù)，確定試樣的聲發(fā)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(xiàn)且最為接近的起飛點應(yīng)力平均值作為最終Kaiser效應(yīng)點應(yīng)力值。

(a) 首次加載

(b) 再次加載

3.2 主應(yīng)力大小計算結(jié)果

根據(jù)4個方向8個巖樣的試驗結(jié)果，計算分析可得各方向試樣的Kaiser效應(yīng)點應(yīng)力如表1所示。然后根據(jù)應(yīng)力記憶法將各方向應(yīng)力水平代入式(2)～(5)，可得本次試驗取樣點3個方向主應(yīng)力大小，以及水平方向投影夾角，如表2所示。再根據(jù)應(yīng)變記憶原理，即代入式(6)～(8)，計算得地應(yīng)力結(jié)果如表3所示。

(a) 首次加載

(b) 再次加載

圖6 試樣x-1聲發(fā)射累計數(shù)-應(yīng)力關(guān)系曲線

由表2、3結(jié)果可得出，兩種計算方法所得的水平主應(yīng)力值都較為接近，相對誤差約為10%，說明試驗和計算結(jié)果是具有合理性和一致性。同時，由于應(yīng)力記憶法不考慮垂直應(yīng)力與另一水平主應(yīng)力的影響，故其結(jié)果略低于應(yīng)變記憶法的結(jié)果。

表1 Kaiser效應(yīng)點應(yīng)力計算表

表2 圍壓下應(yīng)力記憶法地應(yīng)力計算

表3 應(yīng)變記憶法地應(yīng)力計算

4 結(jié) 論

通過三軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射試驗，在室內(nèi)對地應(yīng)力進行了測量，證實了圍壓下利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測量地應(yīng)力的可行性和有效性，并根據(jù)應(yīng)力記憶和應(yīng)變記憶兩種方法對取樣點的主應(yīng)力大小及水平投影角進行了計算，得出主要結(jié)論如下：

(1) 巖石三軸壓縮條件下，由于圍壓的存在提高了巖石軸向抗壓強度和彈性段強度，更利于識別其聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)點，進而提高了地應(yīng)力測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；

(2) 每個巖樣進行多次反復(fù)加載有利于試驗結(jié)果的準(zhǔn)確獲取。本文試驗驗證只選取了4個方向巖樣，因此只能得出主應(yīng)力大小和水平投影角，如需準(zhǔn)確獲得其地應(yīng)力值大小和方位角，則需對全部6個方向巖樣進行試驗；

(3) 應(yīng)力記憶和應(yīng)變記憶法計算所得主應(yīng)力值具有一定差異，但水平投影角一致。由于應(yīng)變記憶法考慮了巖體垂直應(yīng)力和另一水平主應(yīng)力的影響，而應(yīng)力記憶法則只考慮各取樣方向上應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，故此應(yīng)力記憶法所得水平主應(yīng)力值略低于應(yīng)變記憶法。本文認(rèn)為對聲發(fā)射測量地應(yīng)力的結(jié)果應(yīng)考慮以應(yīng)變記憶法為主。

參考文獻(References)：

[1] 蔡美峰，喬 蘭．地應(yīng)力測量原理和技術(shù)[M]．北京：科學(xué)出版社，1995．

[2] 趙 奎，閆道全，鐘春暉，等．聲發(fā)射測量地應(yīng)力綜合分析方法與實驗驗證[J]．巖土工程學(xué)報，2012，34(8)：1403-1410．

[3] 丁原辰．聲發(fā)射法古應(yīng)力測量問題討論[J]．地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2000，6(2)：0045-0052．

[4] 丁原辰，張大倫．聲發(fā)射抹錄不凈現(xiàn)象在地應(yīng)力測量中的應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1991，10(4)：313-326．

[5] 傅鶴林．巖石聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)及其在地應(yīng)力場測試中的應(yīng)用[J]．化工礦物與加工，2002(5)：0020-0022．

[6] 姜永東，鮮學(xué)福，許 江．巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)應(yīng)用于地應(yīng)力測試的研究[J]．巖土力學(xué)，2005，26(6)：946-950．

[7] 趙 奎，余 彬，李期森，等．大理巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法測量原巖應(yīng)力試驗研究[J]．有色金屬科學(xué)與工程，2017，8(3)：0088-0093．

[8] 紀(jì)洪廣，張月征，金 延，等．二長花崗巖三軸壓縮下聲發(fā)射特征圍壓效應(yīng)的試驗研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31(6)：1162-1168．

[9] 姜洪波．基于Kaiser效應(yīng)紅透山銅礦原巖應(yīng)力測量[J]．有色礦冶，2012，28(1)：0010-0012．

[10] 鄧 濤，李天華，唐建新，等．基于聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)地應(yīng)力測量研究[J]．現(xiàn)代礦業(yè)，2014(12)：13-16．

[11] 趙 奎，閆道全，鐘春暉，等．聲發(fā)射測量地應(yīng)力綜合分析方法與實驗驗證[J]．巖土工程學(xué)報，2012，34(8)：1403-1411．

[12] 葛偉風(fēng)，張 飛，陳 勉，等．鹽膏巖DRA-Kaiser地應(yīng)力測試方法初探[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2015，34(增1)：3138-3142．

[13] 劉 洋，余賢斌，謝 強，等．巖石Kaiser效應(yīng)方向獨立性的研究現(xiàn)狀及進展[J]．地下空間與工程學(xué)報，2012，8(6)：1185-1191．

[14] 李造鼎，宋納新，秦四清．應(yīng)用巖石聲發(fā)射凱塞效應(yīng)測定地應(yīng)力[J]．東北大學(xué)學(xué)報，1994，15(3)：248-252．

[15] 付小敏，王旭東．利用巖石聲發(fā)射測試地應(yīng)力數(shù)據(jù)處理方法的研究[J]．實驗室研究與探索，2007，26(11)：282-285．

[16] 鐘敬敏，齊從麗，鐘水清，等．基于應(yīng)變記憶模型的聲發(fā)射地應(yīng)力解釋方法[J]．鉆采工藝，2011，34(5)：70-72．

[17] 謝 強，邱 鵬，余賢斌，等．利用聲發(fā)射法和變形率變化法聯(lián)合測定地應(yīng)力[J]．煤炭學(xué)報，2010，35(4)：559-564．