基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于巖石性能測試領(lǐng)域，具體涉及一種基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，目的是對巖石啟裂強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確識別。該方法包括：a、加工巖石試件；b、將試件安裝在壓力機(jī)的試樣臺上，同時(shí)在試件中部上安裝聲發(fā)射傳感器；c、按荷載控制模式對試件進(jìn)行單軸加載，保持聲發(fā)射監(jiān)測與壓力機(jī)加載同步進(jìn)行；d、觀察累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)隨時(shí)間變化曲線的形態(tài)，曲線起初呈下凹形，然后呈直線形，隨后呈上凹形，當(dāng)曲線具備上述三種不同形態(tài)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束；e、繪制軸向應(yīng)力與累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)的關(guān)系曲線；f、在關(guān)系曲線中的線性變化段做切線，從線性變化段開始，曲線偏離切線時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)力值即為巖石的啟裂強(qiáng)度。
【專利說明】基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖石性能測試領(lǐng)域，具體涉及一種采用累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石在單軸壓縮條件下啟裂強(qiáng)度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石受力破壞過程是其內(nèi)部微破裂萌生、擴(kuò)展和貫通的過程。其在壓縮條件下的損傷和破壞過程可主要?jiǎng)澐譃閹讉€(gè)重要階段:(I)裂隙閉合；(2)彈性變形；(3)裂隙初始；(4)裂隙穩(wěn)定發(fā)展；(5)裂隙貫通；(6)非穩(wěn)定裂隙發(fā)展；(7)破壞；⑶破壞后階段。其中，裂隙初始所對應(yīng)的應(yīng)力水平稱為巖石啟裂強(qiáng)度。啟裂強(qiáng)度(Ocd)是巖石在壓縮破壞過程中的重要特征應(yīng)力值之一，合理確定該應(yīng)力值對于描述巖石的力學(xué)行為以及預(yù)測地下工程開挖邊界附近的劈裂破壞具有重要意義。目前，國際巖石力學(xué)與工程學(xué)會(ISRM)建立了劈裂破壞預(yù)測(Commission on Spall Predictions)委員會,該委員會的重要目標(biāo)之一是提出巖石啟裂強(qiáng)度的確定方法。然而到目前為止，國際上還尚未形成明確的建議方法來確定巖石在單軸壓縮條件下的啟裂強(qiáng)度。
[0003]現(xiàn)有測定巖石在單軸壓縮條件下啟裂強(qiáng)度的方法主要包括應(yīng)力應(yīng)變法和聲發(fā)射法兩類。應(yīng)力應(yīng)變法是利用粘貼在巖石試件表面的軸向和橫向應(yīng)變片，或安裝在巖石試件上的縱向和橫向引伸計(jì)，在單軸壓縮過程中記錄軸向應(yīng)力，并分別測量其兩個(gè)方向的應(yīng)變，然后繪制軸向應(yīng)力和應(yīng)變(軸向、橫向和體積應(yīng)變)關(guān)系曲線，并在體積應(yīng)變-軸向應(yīng)力曲線上做切線，當(dāng)曲線偏離切線時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)力即為巖石的啟裂強(qiáng)度。然而，應(yīng)力應(yīng)變法強(qiáng)烈依賴于體積應(yīng)變與軸向應(yīng)力關(guān)系曲線的形態(tài)，當(dāng)電壓信號不穩(wěn)定而導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，便不能準(zhǔn)確判別偏離線點(diǎn)的位置。研究表明，巖石破裂過程中產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信息，米用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測巖石材料內(nèi)部微破裂的動(dòng)態(tài)演化，根據(jù)巖石聲發(fā)射信號的變化可反映巖石的變形和破壞的基本特征，并建立聲發(fā)射信號和巖石破裂過程的相互關(guān)系，以此研究巖石的破壞機(jī)制。在聲發(fā)射方法中，多采用以柱狀圖顯示的實(shí)時(shí)聲發(fā)射參數(shù)(主要包括:事件數(shù)、振鈴數(shù)、幅度、能量、上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間等)的變化來確定巖石的啟裂強(qiáng)度。其判讀的依據(jù)是:在單軸加載初始階段，聲發(fā)射信號微弱，隨著軸向壓力的增大，巖石開始出現(xiàn)一次顯著的聲發(fā)射事件，此時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)力即為巖石的啟裂強(qiáng)度。然而，由于聲發(fā)射監(jiān)測信號對于巖石受力響應(yīng)的高度敏感性以及背景噪聲的干擾，巖石在孔隙裂隙壓密階段和彈性變形階段也可能檢測出較強(qiáng)的聲發(fā)射信號，從而干擾了對于啟裂強(qiáng)度值的準(zhǔn)確識別。因此，本發(fā)明就是在這種情況下，開發(fā)了一種采用累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石在單軸壓縮條件下啟裂強(qiáng)度的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高啟裂強(qiáng)度值識別的準(zhǔn)確性，提供一種基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:[0006]基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，依次包括以下步驟:
[0007]步驟1:對現(xiàn)場鉆取的完整巖芯進(jìn)行加工，制備圓柱形的巖石試件；
[0008]步驟2:將巖石試件安裝在壓力機(jī)的試樣臺上，并在所述巖石試件中部安裝I個(gè)聲發(fā)射傳感器，使聲發(fā)射傳感器壓電陶瓷表面與所述巖石試件表面直接接觸，接觸面涂有一薄層凡士林作為稱合劑；
[0009]步驟3:對所述巖石試件進(jìn)行單軸加載，保持聲發(fā)射監(jiān)測與加載過程同步進(jìn)行，實(shí)時(shí)采集軸向應(yīng)力和累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)數(shù)據(jù)；
[0010]步驟4:在聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的顯示屏上觀察聲累計(jì)發(fā)射撞擊數(shù)隨時(shí)間的變化曲線:；在初始加載階段，曲線上的切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大逐漸減小，曲線呈下凹形，其表征巖石內(nèi)部孔隙裂隙處于壓密階段；隨后切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大趨于恒定，呈直線形，其表征巖石彈性變形階段；最后切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大而逐漸增加，呈上凹形，其表征巖石裂隙穩(wěn)定增長階段；當(dāng)曲線具備上述三種不同形態(tài)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束；
[0011]步驟5:繪制軸向應(yīng)力與累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)的關(guān)系曲線；
[0012]步驟6:根據(jù)步驟5所得結(jié)果，在關(guān)系曲線中的線性變化段做切線；
[0013]步驟7:獲得巖石的啟裂強(qiáng)度，所述巖石的啟裂強(qiáng)度為:從關(guān)系曲線中的線性變化段開始，曲線偏離切線時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)力值。
[0014]如上所述的基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，其中:所述巖石試件的高度與直徑比為2:1。
[0015]如上所述的基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，其中:所述累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)數(shù)據(jù)通過在所述巖石試件上安裝聲發(fā)射傳感器采集。
[0016]如上所述的基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，其中:將巖石試件安裝在壓力機(jī)的試樣臺上，采用荷載控制模式對巖石試件進(jìn)行單軸加載，保持聲發(fā)射監(jiān)測與壓力機(jī)加載同步進(jìn)行。
[0017]如上所述的基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，其中:所述壓力機(jī)為長春朝陽試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的型號為TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。
[0018]本發(fā)明為識別巖石在單軸壓縮條件下的啟裂強(qiáng)度提供了一種新方法，本發(fā)明所述方法的特點(diǎn)是不再使用應(yīng)變測量，而是利用聲發(fā)射監(jiān)測和常規(guī)壓縮試驗(yàn)為技術(shù)手段，以軸向應(yīng)力與累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)的變化關(guān)系為判讀依據(jù)，對巖石啟裂強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確識別。此外，該方法不必將巖石試件加壓至宏觀破壞，從而節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間，簡單高效，易于推廣應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明中單軸壓縮條件下聲發(fā)射傳感器的位置圖；
[0020]圖2為本發(fā)明中單軸壓縮條件下花崗閃長巖試件累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系圖；
[0021]圖3為本發(fā)明中單軸壓縮條件下花崗閃長巖試件軸向應(yīng)力與累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)關(guān)系曲線圖；
[0022]圖4為本發(fā)明中單軸壓縮條件下似斑狀二長花崗巖試件累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系圖；[0023]圖5為本發(fā)明中單軸壓縮條件下似斑狀二長花崗巖試件軸向應(yīng)力與累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)關(guān)系曲線圖；
[0024]圖中，1.巖樣；2.聲發(fā)射傳感器；3.凡士林；31.關(guān)系曲線；32.切線；33.啟裂強(qiáng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0026]基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，依次包括以下步驟:
[0027]步驟1:對現(xiàn)場鉆取的完整巖芯進(jìn)行加工，制備圓柱形的巖石試件；
[0028]步驟2:將巖石試件安裝在壓力機(jī)的試樣臺上，并在所述巖石試件中部安裝I個(gè)聲發(fā)射傳感器，使聲發(fā)射傳感器壓電陶瓷表面與所述巖石試件表面直接接觸，接觸面涂有一薄層凡士林作為稱合劑；
[0029]步驟3:對所述巖石試件進(jìn)行單軸加載，保持聲發(fā)射監(jiān)測與加載過程同步進(jìn)行，實(shí)時(shí)采集軸向應(yīng)力和累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)數(shù)據(jù)；
[0030]步驟4:在聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的顯示屏上觀察聲累計(jì)發(fā)射撞擊數(shù)隨時(shí)間的變化曲線:；在初始加載階段，曲線上的切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大逐漸減小，曲線呈下凹形，其表征巖石內(nèi)部孔隙裂隙處于壓密階段；隨后切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大趨于恒定，呈直線形，其表征巖石彈性變形階段；最后切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大而逐漸增加，呈上凹形，其表征巖石裂隙穩(wěn)定增長階段；當(dāng)曲線具備上述三種不同形態(tài)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束；
[0031]步驟5:繪制軸向應(yīng)力與累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)的關(guān)系曲線；
[0032]步驟6:根據(jù)步驟5所得結(jié)果，在關(guān)系曲線中的線性變化段做切線；
[0033]步驟7:獲得巖石的啟裂強(qiáng)度，所述巖石的啟裂強(qiáng)度為:從關(guān)系曲線中的線性變化段開始，曲線偏離切線時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)力值。
[0034]為獲得更好效果，對如下實(shí)施例進(jìn)行了試驗(yàn)。
[0035]實(shí)施例1:
[0036]本實(shí)施例為單軸壓縮條件下采用累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)確定花崗閃長巖的啟裂強(qiáng)度，現(xiàn)進(jìn)行以下操作:
[0037](I)對甘肅北山高放廢物地質(zhì)處置庫預(yù)選區(qū)鉆取的完整巖芯進(jìn)行加工，制備成高度與直徑比為2:1的圓柱形巖石試件,本例米用的巖石試件直徑為50mm,高為100mm,巖石類型為花崗閃長巖。
[0038](2)將巖石試件安裝在壓力機(jī)的試樣臺上,壓力機(jī)型號為TAW-2000 (長春朝陽試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn))。
[0039](3)如圖1所示，在該巖樣I中部安裝I個(gè)聲發(fā)射傳感器2，傳感器型號為:MiCix)30(美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn))，使聲發(fā)射傳感器壓電陶瓷表面與巖樣表面直接接觸，接觸面有一薄層凡士林3作為稱合劑。
[0040](4)采用壓力機(jī)的荷載控制模式對試件進(jìn)行單軸加載，加載速率設(shè)為0.75MPa/s,保持聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)記錄與壓力機(jī)加載過程同步，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)型號為:PC1-2 (美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn))。
[0041](5)如圖2所示，在聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的顯示屏上觀察聲累計(jì)發(fā)射撞擊數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(橫軸為時(shí)間，縱軸為累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù))，在初始加載階段，曲線上的切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大逐漸減小，曲線呈下凹形，其表征巖石內(nèi)部孔隙裂隙壓密階段；隨后切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大趨于恒定，呈直線形，其表征巖石彈性變形階段；最后切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大而逐漸增加，呈上凹形，其表征巖石裂隙穩(wěn)定增長階段。當(dāng)曲線具備上述三種不同形態(tài)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。
[0042](6)如圖3所示，根據(jù)步驟(4)和步驟(5)所得結(jié)果，繪制軸向應(yīng)力與累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)關(guān)系曲線31。
[0043](7)如圖3所示，在關(guān)系曲線中的線性變化段做切線32，從圖中曲線的線性變化段開始，曲線偏離切線時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)力值即為巖石的啟裂強(qiáng)度33。
[0044]實(shí)施例2:
[0045]本實(shí)施例為單軸壓縮條件下采用累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)確定似斑狀二長花崗巖的啟裂強(qiáng)度，現(xiàn)進(jìn)行以下操作:
[0046](I)對甘肅北山高放廢物地質(zhì)處置庫預(yù)選區(qū)鉆取的完整巖芯進(jìn)行加工，制備成高度與直徑比為2:1的圓柱形巖石試件,本例米用的巖石試件直徑為50mm,高為100mm,巖石類型為似斑狀二長花崗巖。
[0047](2)將巖石試件安裝在壓力機(jī)的試樣臺上,壓力機(jī)型號為TAW-2000 (長春朝陽試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn))。
[0048](3)如圖1所示，在該巖樣I中部安裝I個(gè)聲發(fā)射傳感器2，傳感器型號為:MiCix)30(美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn))，使聲發(fā)射傳感器壓電陶瓷表面與巖樣表面直接接觸，接觸面有一薄層凡士林3作為稱合劑。
[0049](4)采用壓力機(jī)的荷載控制模式對試件進(jìn)行單軸加載，加載速率設(shè)為0.75MPa/s,保持聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)記錄與壓力機(jī)加載過程同步，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)型號為:PC1-2 (美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn))。
[0050](5)如圖4所示，在聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的顯示屏上觀察累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(橫軸為時(shí)間，縱軸為累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù))，在初始加載階段，曲線上的切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大逐漸減小，曲線呈下凹形，其表征巖石內(nèi)部孔隙裂隙壓密階段；隨后切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大趨于恒定，呈直線形，其表征巖石彈性變形階段；最后切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大而逐漸增加，呈上凹形，其表征巖石裂隙穩(wěn)定增長階段。當(dāng)曲線具備上述三種不同形態(tài)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。
[0051](6)如圖5所示，根據(jù)步驟(4)和步驟(5)所得結(jié)果，繪制軸向應(yīng)力與累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)關(guān)系曲線31。
[0052](7)如圖5所示，在關(guān)系曲線中的線性變化段做切線32，從圖中曲線的線性變化段開始，曲線偏離切線時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)力值即為巖石的啟裂強(qiáng)度33。
【權(quán)利要求】
1.基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，依次包括以下步驟: 步驟1:對現(xiàn)場鉆取的完整巖芯進(jìn)行加工，制備圓柱形的巖石試件； 步驟2:將巖石試件安裝在壓力機(jī)的試樣臺上，并在所述巖石試件中部安裝I個(gè)聲發(fā)射傳感器，使聲發(fā)射傳感器壓電陶瓷表面與所述巖石試件表面直接接觸，接觸面涂有一薄層凡士林作為稱合劑； 步驟3:對所述巖石試件進(jìn)行單軸加載，保持聲發(fā)射監(jiān)測與加載過程同步進(jìn)行，實(shí)時(shí)采集軸向應(yīng)力和累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)數(shù)據(jù)； 步驟4:在聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的顯示屏上觀察聲累計(jì)發(fā)射撞擊數(shù)隨時(shí)間的變化曲線:；在初始加載階段，曲線上的切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大逐漸減小，曲線呈下凹形，其表征巖石內(nèi)部孔隙裂隙處于壓密階段；隨后切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大趨于恒定，呈直線形，其表征巖石彈性變形階段；最后切線斜率隨軸向應(yīng)力的增大而逐漸增加，呈上凹形，其表征巖石裂隙穩(wěn)定增長階段；當(dāng)曲線具備上述三種不同形態(tài)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束； 步驟5:繪制軸向應(yīng)力與累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)的關(guān)系曲線； 步驟6:根據(jù)步驟5所得結(jié)果，在關(guān)系曲線中的線性變化段做切線； 步驟7:獲得巖石的啟裂強(qiáng)度，所述巖石的啟裂強(qiáng)度為:從關(guān)系曲線中的線性變化段開始，曲線偏離切線時(shí)對應(yīng)的軸向應(yīng)力值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，其特征在于:所述巖石試件的高度與直徑比為2:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，其特征在于:所述累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)數(shù)據(jù)通過在所述巖石試件上安裝聲發(fā)射傳感器采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，其特征在于:將巖石試件安裝在壓力機(jī)的試樣臺上，采用荷載控制模式對巖石試件進(jìn)行單軸加載，保持聲發(fā)射監(jiān)測與壓力機(jī)加載同步進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)識別巖石單軸壓縮啟裂強(qiáng)度的方法，其特征在于:所述壓力機(jī)為長春朝陽試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的型號為TAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。
【文檔編號】G01N3/08GK103852377SQ201310438903
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】趙星光, 謝敬禮, 馬利科, 宗自華, 王春萍, 蘇銳, 王駒 申請人:核工業(yè)北京地質(zhì)研究院