本發(fā)明涉巖石類(lèi)材料微裂紋擴(kuò)展演化不同階段對(duì)應(yīng)應(yīng)力門(mén)檻值的研究領(lǐng)域，特別是涉及一種基于應(yīng)變測(cè)試判別裂紋擴(kuò)展演化過(guò)程的方法。

背景技術(shù)：

隨著巖土工程的逐步發(fā)展，大量的工程建設(shè)以巖石作為巖基或圍巖，如石油天然氣儲(chǔ)備庫(kù)、核電站、大型水利工程、礦山工程、地下硐室和隧道等，巖石相互作用力學(xué)理論及對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律研究已滯后于工程發(fā)展速度，巖石宏觀力學(xué)特性的劣化及破壞是微裂紋不斷萌生擴(kuò)展貫通的結(jié)果；巖石的抗壓強(qiáng)度并不是巖石的固有屬性，而是會(huì)隨著外在邊界條件的改變而改變，如提高加載速率、減小試樣尺寸巖石單軸抗壓強(qiáng)度均會(huì)有所提高，但巖石的應(yīng)力門(mén)檻值，如裂紋起裂應(yīng)力σ_ci、裂紋破壞損傷應(yīng)力σ_cd則不會(huì)隨加載條件改變而變化，在長(zhǎng)期荷載作用下巖石的單軸壓縮強(qiáng)度與裂紋破壞損傷應(yīng)力σ_cd基本保持一致，且?guī)r石加載過(guò)程中微裂紋不同階段擴(kuò)展演化規(guī)律與應(yīng)力門(mén)檻值直接相關(guān)，因此研究巖石微裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律及各應(yīng)力門(mén)檻值十分重要。

巖石微裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律研究方法有多種，如AE法、應(yīng)變計(jì)算法等，這里提出一種較方便快捷的測(cè)試方法，巖石加載下的體積變形包括巖石基質(zhì)的變形及內(nèi)部孔隙及微裂紋引起的變形，其中微孔隙及微裂紋的變形分為兩類(lèi)，一種是巖石內(nèi)部存在的原始微孔洞及微裂隙，另一種是巖石在外荷載作用下發(fā)生斷裂，造成部分微裂紋的萌生及擴(kuò)展。巖石在加載過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷初始微孔洞及微裂隙的閉合階段、線彈性階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、不穩(wěn)定擴(kuò)展階段及峰后階段等，微裂紋的擴(kuò)展演化過(guò)程直接決定了巖石宏觀力學(xué)特性的變化，同時(shí)裂紋破壞損傷應(yīng)力σ_cd與巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度基本一致，也是巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度預(yù)測(cè)的一種新方法，因此如何判別巖石微裂紋擴(kuò)展演化不同階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)力門(mén)檻值問(wèn)題亟待解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提供了一種基于應(yīng)變測(cè)試判別裂紋擴(kuò)展演化過(guò)程的方法。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種提高聲發(fā)射定位時(shí)空演化過(guò)程精度的方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟一、將實(shí)驗(yàn)巖樣按照規(guī)范要求加工取芯制作成Φ50×100圓柱狀巖樣；

步驟二、在標(biāo)準(zhǔn)圓柱巖樣的側(cè)面不同高度位置粘貼軸向應(yīng)變片(1)及環(huán)向應(yīng)變片(2)或者環(huán)向應(yīng)變規(guī)(3)；

步驟三、對(duì)巖樣進(jìn)行加載，同時(shí)測(cè)試巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線過(guò)程中的軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，直到巖石破壞；

步驟四、將測(cè)試所得應(yīng)力、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理匯總分析，得到各應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

步驟五、計(jì)算并得到初始裂隙閉合應(yīng)力σ_cc、裂紋起裂應(yīng)力σ_ci、裂紋破壞損傷應(yīng)力σ_cd，同時(shí)通過(guò)動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法得到軸向剛度、側(cè)向剛度變化規(guī)律曲線，即得到初始裂隙閉合應(yīng)力σ_cc、裂紋破壞損傷應(yīng)力σ_cd；

步驟六、依據(jù)步驟四所得體應(yīng)變和軸向應(yīng)變變化規(guī)律，采用動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法得到體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變切向斜率的變化規(guī)律，通過(guò)該體應(yīng)變率的變化規(guī)律識(shí)別出初始裂隙閉合應(yīng)力σ_cc、裂紋起裂應(yīng)力σ_ci、裂紋破壞損傷應(yīng)力σ_cd。

進(jìn)一步，所述步驟二中巖樣中部、距離中部1/3巖樣高度的上部和下部斷面分別對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)軸向應(yīng)變片和4個(gè)環(huán)向應(yīng)變片，共計(jì)12個(gè)軸向應(yīng)變片和12個(gè)環(huán)向應(yīng)變片，所述應(yīng)變片與巖樣側(cè)面通過(guò)502膠水粘貼。

進(jìn)一步，所述步驟二中巖樣中部斷面上布置環(huán)向應(yīng)變規(guī)，距離中部1/3巖樣高度的上部和下部斷面分別對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)軸向應(yīng)變片和4個(gè)環(huán)向應(yīng)變片，共計(jì)1個(gè)環(huán)向應(yīng)變規(guī)、8個(gè)軸向應(yīng)變片和8個(gè)環(huán)向應(yīng)變片，所述應(yīng)變片、應(yīng)變規(guī)與巖樣側(cè)面通過(guò)502膠水粘貼。

進(jìn)一步，所述步驟五中采用傳統(tǒng)計(jì)算應(yīng)變法首先需根據(jù)最小二乘法擬合出應(yīng)力-應(yīng)變曲線線彈性段的彈性模量E和泊松比υ，然后根據(jù)公式計(jì)算出裂紋體應(yīng)變變化規(guī)律，最終得到各應(yīng)力門(mén)檻值。

進(jìn)一步，所述步驟五中采用動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法得到軸向剛度和側(cè)向剛度變化，其中動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法取樣點(diǎn)間隔設(shè)置在總數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的3～5％。

進(jìn)一步，所述步驟六中采用動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法得到體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變切向斜率的變化規(guī)律，其中動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法取樣點(diǎn)間隔設(shè)置在總數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的3～5％。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)方案相比具有以下有益效果和優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明采用加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)同時(shí)測(cè)試巖樣軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變，不需要測(cè)試別的項(xiàng)目，且操作方便容易實(shí)現(xiàn)；該方法在巖樣不同高度位置布置多個(gè)軸向和環(huán)向應(yīng)變片測(cè)試巖樣應(yīng)變，減小了巖樣局部應(yīng)變的不均勻變形的影響，軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變、體應(yīng)變測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠；采用動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法，通過(guò)對(duì)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試處理結(jié)果反復(fù)對(duì)比分析，提出取樣點(diǎn)間隔不能太大，太大反應(yīng)不出對(duì)應(yīng)變化規(guī)律，不敏感；同時(shí)亦不能太小，太小對(duì)應(yīng)變量太敏感，起伏較大不穩(wěn)定，建議取總數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的3～5％；該方法從巖石微裂紋擴(kuò)展的本質(zhì)屬性出發(fā)，將裂紋的擴(kuò)展轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)宏觀應(yīng)變的變化，將裂紋擴(kuò)展演化過(guò)程簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)單有效；同時(shí)將宏觀力學(xué)特性(軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變、體應(yīng)變軸向剛度、側(cè)向剛度)與細(xì)觀微裂紋的擴(kuò)展結(jié)合，建立宏觀力學(xué)參數(shù)隨裂紋擴(kuò)展演化的變化規(guī)律，更加深入和清晰的認(rèn)識(shí)巖石的裂紋擴(kuò)展及破壞過(guò)程，具有較強(qiáng)的科研研究?jī)r(jià)值，同時(shí)能帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例流程圖。

圖2是本發(fā)明設(shè)計(jì)的巖樣應(yīng)變片布置簡(jiǎn)圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)例應(yīng)變片及應(yīng)變規(guī)分布簡(jiǎn)圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)例應(yīng)力-應(yīng)變曲線及微裂紋擴(kuò)展演化階段劃分簡(jiǎn)圖。

圖5是本發(fā)明提出的動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法原理示意圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例軸向剛度隨加載應(yīng)力變化規(guī)律圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例側(cè)向剛度隨加載應(yīng)力變化規(guī)律圖。

圖8是本發(fā)明實(shí)施例體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變變化率的示意圖。

圖中，1、軸向應(yīng)變片；2、環(huán)向應(yīng)變片；3、環(huán)向應(yīng)變規(guī)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

本實(shí)施例選取花崗巖為實(shí)驗(yàn)巖樣，巖樣取自一采石場(chǎng)。該方法主要操作流程如圖1所示，具體步驟如下：

1)標(biāo)準(zhǔn)巖樣的加工制作，首先將實(shí)驗(yàn)巖樣進(jìn)行室內(nèi)鉆取巖芯，采用標(biāo)準(zhǔn)磚頭及設(shè)備，然后對(duì)端面進(jìn)行加工磨平，制成Φ50×100標(biāo)準(zhǔn)巖樣，并對(duì)端面及側(cè)面進(jìn)行平整度及平行度較驗(yàn)使之滿足規(guī)范要求。

2)粘貼應(yīng)變片，首先對(duì)加工好的巖樣側(cè)面擦拭干凈，為了更全面準(zhǔn)確地測(cè)試巖石各應(yīng)變變化，按照三個(gè)不同斷面位置進(jìn)行粘貼軸向應(yīng)變片1和環(huán)向應(yīng)變片2，巖樣中部布置環(huán)向應(yīng)變規(guī)3進(jìn)行該位置環(huán)向應(yīng)變測(cè)試，距離中部1/3巖樣高度的上部斷面分別對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)軸向應(yīng)變片1和4個(gè)環(huán)向應(yīng)變片2，同時(shí)距中部1/3巖樣高度的下部斷面也布置4個(gè)軸向應(yīng)變片1和環(huán)向應(yīng)變片2，如圖3所示，共計(jì)8個(gè)軸向應(yīng)變片1、8個(gè)環(huán)向應(yīng)變片2和1個(gè)環(huán)向應(yīng)變規(guī)3，采用502膠水將應(yīng)變片、環(huán)向應(yīng)變規(guī)1與巖樣表面粘貼牢固。

3)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程，采用MTS815.04巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)巖樣進(jìn)行加載，根據(jù)加載速率選取數(shù)據(jù)采樣率，這里采樣率為5Hz，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)記錄軸向應(yīng)力、各通道應(yīng)變片軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變，加載方式采用位移控制，恒定速率加載直至巖石最終發(fā)生破壞停止。

4)數(shù)據(jù)處理及分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試各通道應(yīng)力、應(yīng)變，對(duì)數(shù)據(jù)匯總，試驗(yàn)中共測(cè)試了三個(gè)斷面的軸向和環(huán)向應(yīng)變，分別取其平均值作為對(duì)應(yīng)應(yīng)變值，匯總得到軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變-側(cè)向應(yīng)變-體應(yīng)變的變化規(guī)律，如圖4所示。

5)依據(jù)上述中得出的各應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化，首先根據(jù)線彈性階段采用最小二乘法擬合出彈性模量和泊松比，然后依據(jù)計(jì)算公式得到裂紋引起的體積應(yīng)變，得到各應(yīng)力門(mén)檻值，如圖4所示，計(jì)算如下：

根據(jù)軸向應(yīng)變?chǔ)?sub>1及側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?sub>3可計(jì)算巖樣總的體積應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε_v＝ε₁+2ε₃

根據(jù)線彈性段計(jì)算出彈性模量E和泊松比υ，進(jìn)而可以計(jì)算得出不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石基質(zhì)變形引起的彈性體積應(yīng)變?yōu)椋?/p>

${\mathrm{\ϵ}}_v^e=\frac{1-2\mathrm{\υ}}{E}({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2+{\mathrm{\σ}}_3)$

巖樣體積變形包括巖石基質(zhì)變形及內(nèi)部孔隙及微裂紋引起的變形。對(duì)于單軸壓縮，巖石內(nèi)部微孔洞及微裂紋引起的體積應(yīng)變：

${\mathrm{\ϵ}}_v^c={\mathrm{\ϵ}}_v-\frac{1-2\mathrm{\υ}}{E}{\mathrm{\σ}}_1$

同時(shí)采用動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法，示意圖如圖5，對(duì)間隔一定區(qū)域樣本視作呈線性變化，因此樣本間隔長(zhǎng)短對(duì)結(jié)果存在一定影響，間隔太大則變化不敏感，反應(yīng)不出變化規(guī)律，間隔太小則數(shù)據(jù)起伏較大不穩(wěn)定，呈鋸齒狀波動(dòng)變化，依據(jù)對(duì)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的反復(fù)處理對(duì)比得出：數(shù)據(jù)樣本間隔大小宜在3～5％總數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，依據(jù)該準(zhǔn)則研究軸向剛度、側(cè)向剛度隨應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，軸向剛度隨應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律如圖6，側(cè)向剛度隨軸向應(yīng)力的變化規(guī)律如圖7。

6)同樣依據(jù)試驗(yàn)測(cè)試的各應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果，采用動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法，依據(jù)步驟五中所述的準(zhǔn)則研究體應(yīng)變率隨應(yīng)力的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例采用傳統(tǒng)計(jì)算應(yīng)變法所得各應(yīng)力門(mén)檻值及微裂紋擴(kuò)展不同階段劃分結(jié)果，但計(jì)算應(yīng)變法需要通過(guò)線彈性段的彈性模量E和泊松比υ計(jì)算才能得出初始裂隙閉合應(yīng)力σ_cc、裂紋起裂應(yīng)力σ_ci，應(yīng)力門(mén)檻值對(duì)彈模和泊松比的取值依賴(lài)較大，而對(duì)于泊松比，從圖4可看出側(cè)向應(yīng)變?cè)谡麄€(gè)加載過(guò)程中基本成非線性變化，因此泊松比的準(zhǔn)確確定存在一定困難，同時(shí)將整個(gè)加載階段巖石基質(zhì)的彈性模量默認(rèn)為恒定不變也存在一定的誤差；采用剛度法即：軸向剛度和側(cè)向剛度所得初始裂隙閉合應(yīng)力σ_cc偏大，且不能確定所有應(yīng)力門(mén)檻，如圖6、圖7；而本發(fā)明提出的綜合考慮軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變、體應(yīng)變來(lái)反應(yīng)裂紋擴(kuò)展更加全面，反映了應(yīng)變變化的本質(zhì)，將微裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)化成可量化的應(yīng)變值，結(jié)果如圖8所示，微裂紋擴(kuò)展的不同階段對(duì)應(yīng)著應(yīng)變率的變化率的拐點(diǎn)，該方法快捷且容易操作，受人為選取參數(shù)的影響較小，同時(shí)該發(fā)明中給出動(dòng)點(diǎn)回歸分析處理方法取樣建議值，增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性和可重復(fù)性。因此，采用本發(fā)明提供的一種基于應(yīng)變測(cè)試判別裂紋擴(kuò)展演化過(guò)程的方法能夠解決微裂紋擴(kuò)展演化階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)力門(mén)檻值的難題，增加了實(shí)驗(yàn)的可操作性和準(zhǔn)確性。

最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。