岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究_赵

岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究_赵奎

第28卷增1 岩石力学与工程学报 Vol.28 Supp.1 2009年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2009

岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值

模拟与试验研究

赵奎1，金解放1，刘明松1，王晓军1，何国强1，支学艺1

摘要：在分析单轴压缩试验岩石Kaiser效应机制的基础上，建立岩石在点荷载作用下对先前应力记忆效应的理论

表达式，采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D对14种不同尺寸和力学参数的试件进行数值模拟，模拟结果表明，

岩石点荷载声发射试验能够反映岩石先前应力状态，点荷载加压出现声发射时的点荷载值与岩石先前所受应力值

成正相关关系。为了进一步验证上述结论，对5个岩石试件进行单轴压缩加载、卸载后用点荷载重新加载的循环

试验，得到与数值模拟相同的结论，研究成果为工程现场地应力值估算、评价提供新的研究方法。

关键词：岩石力学；点荷载试验；记忆效应；数值模拟；声发射；地应力

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增1–2695–08

，2 (1. 江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000；2. 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

EXPERIMENTAL RESEARCH AND NUMERICAL SIMULATION OF

ACOUSTIC EMISSION OF MEMORY EFFECT OF ROCK STRESS UNDER

POINT LOAD

ZHAO Kui1，JIN Jiefang1，LIU Mingsong1，WANG Xiaojun1，HE Guoqiang1，ZHI Xueyi12 ，

(1. School of Architectural and Surveying Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China；2. School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Abstract：Theoretical expression of memory effect of previous stress under point load is established based on damage mechanics of Kaiser effect in uniaxial compression. Fourteen specimens with different parameters of mechanical properties and different ratios of height to width are given to simulate memorizing ability of previous stresses in rock specimens under point load using software of RFPA2D(rock failure process analysis). The results show that the value of point load on specimens increases with the increase of previous stresses in rock specimens when acoustic emission occurs. In order to further verify the results obtained from numerical simulation，acoustic emission experiments of 5 specimens under loading and unloading of uniaxial compression and point loading are conducted. The experimental results agree well with those of numerical simulation. It provides a new method for the estimation and assessment of in-situ stress.

Key words：rock mechanics；point load test；memory effect；numerical simulation；acoustic emission；in-situ stress

收稿日期：2007–11–28；修回日期：2007–09–29

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50464002)；江西省教育厅科技计划项目(2005–151)

作者简介：赵奎(1969–)，男，博士，1992年毕业于南方冶金学院采矿工程专业，现任教授，主要从事岩石力学测试与工程稳定性分析方面的教学与研究工作。E-mail：yglmf_zk@163.com

? 2696 ? 岩石力学与工程学报 2009年

的可能性；其次，采用岩石破裂过程分析软件

1 引言

国内外岩石力学研究人员对应用岩石声发射进行地应力测量作了大量的研究工作，近年来，在测量方法、Kaiser效应机制和测量结果分析方面取得了一些有价值的成果。如在根据测试结果确定前期应力方面，李宏和张伯崇[1]采用重复加载方法即第一次加载后再一次加载，用2次加载声发射累积数结果的差作为确定前期应力的方法。赵奎等提出Kaiser点应位于声速开始下降的点附近，进行单轴压缩岩石声发射试验时，可采用增加声波测试探头，用以帮助判断Kaiser点的方法，同时，采用小波分析处理声发射信号可以提高测量的精度[3]。赵兴东等[4]通过数值模拟研究结果分析认为，岩石线弹性加载阶段，岩石具有很好的应力记忆能力，经受荷载达到非线性阶段之后，Kaiser效应不明显。姜永东等[5]在岩石声发射的单轴压缩Kaiser效应确定先期应力大小，再结合其他方法确定地应力方向的研究方面，提出了依据测点处地应力椭球的表达式，进而确定主应力方向的方法。此外，还有结合微构造法获得应力场方向的方法[6]，将赤平投影地质力学与声发射Kaiser效应结合起来的方法[7]等。为了应用岩石Kaiser效应测量深部地层地应力，需要进行围压下岩石Kaiser效应的研究，数值模拟结果表明岩石对先前应力的记忆效应与围压有关[8对应的应力与所受的围压呈线性关系

[10]

，9]

RFPA2D对岩石试件进行单轴平面加载，卸载后用点荷载重新加载，以此模拟岩石点荷载对先前所受应力的记忆效果，并分析了岩石试件高宽比、力学参数对记忆效果的影响。在此基础上，进行了与数值模拟类似的点荷载对应力记忆效应的声发射试验，数值模拟和试验均表明岩石点荷载对其先前应力具有一定的记忆效应，从而为岩石损伤、先前所受应力大小等方面的研究提供了新的手段，为现场地应力状态评估提供了简便的测试方法。

[2]

2 理论分析

2.1 Kaiser效应机制

岩石Kaiser效应的机制在于其对先前损伤的记忆[13]，岩石卸载后重新加载，只有达到并超过先前应力所对应的损伤状态，有新的基元破坏产生，才会发生声发射[14]。C. A. Tang等[15]在假定岩石的损伤参量与岩石的声发射具有一致性的基础上，建立了Kaiser效应的理论模型，编制了相应的分析软件系统RFPA2D[16]，该软件能够较好地反映材料破裂及Kaiser效应机制[17]，该理论在岩石损伤模型的基础上，建立了岩石破裂统计意义上的Kaiser效应的一般表达式：

，砂

σ=Eε(1?D)=Eε1?∫?(x)dx (1)

(

)

泥岩声发射试验表明，围压下岩石的Kaiser效应相

。

上述研究成果都是通过对岩石试件施加面载荷进行的，这就需要对加载试件作切割、磨端面等处理，然后在实验室进行岩石试件的声发射试验。尽管该方法测量地应力比现场套孔应力解除法方便，但仍然费时、费力，测量可靠度、精度等问题也没有完全解决好，这是其目前仍然难以大量推广应用的重要原因。因此，如果能够在现场少量套孔应力解除试验的基础上，研究和发展可在现场进行地应力评估的简便实用测量新方法将具有非常重要的理论和现实意义。

点荷载试验是一种最简单的可在工程现场进行的岩石强度试验，由于试验装置易于携带并且测试试件一般不需要加工处理，所以在工程实际中得到了广泛应用[11

，12]

式中：σ为视在平均应力，E为无损岩石弹性模量，D为损伤参量，ε为弹性应变，?(x)为基元强度的统计分布。

通过下式将损伤参量与声发射数联系起来：

0 (ε≤ε1)

N2??

(2) D==?ε

Nm?∫?(x)dx(ε＞ε1)

?ε1

式中：Nm为岩石完全损伤时声发射累积数，N2为岩石卸载后第二次重新加载应力水平下的声发射累积数，ε1为卸载前应力水平下的应变值。

由式(2)可知，卸载后重新加载情况下，只有当重新加载的应力超过其先前承受的最大应力状态，使相应的应变超过先前的应变水平，才会再产生声发射，即岩石Kaiser效应的机制所在。 2.2 点荷载对应力记忆效应

假设岩石试件受单轴平面压缩应力下应变为

。本文首先通过对岩石Kaiser效应

的理论分析，说明岩石点荷载对应力具有记忆效应

εu1，卸载后进行点荷载加压，岩石受点荷载作用完

第28卷增1 赵奎，等. 岩石点荷载作用下对应力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究 ? 2697 ?

全损伤(试件破坏)时声发射累积数为Npm，对应的基元体破坏范围为Vm，则依据上述理论可知，在Vm范围内，只有当点荷载加载对应的应变超过先前应变水平(单轴加压条件下)才能产生声发射，注意到式(2)只涉及到基元应变状态，与加载方式无直接关系，从而可得到与式(2)类似的单轴加压卸载后，点荷载重新加压的Kaiser效应表达式：

Np2Npm

3.2.1 高宽比对记忆效应的影响

5种不同高宽比的试件循环加、卸载结果表明，试件高宽比对点荷载应力记忆效应有显著的影响，高宽比为2∶1即100 mm×50 mm的模型记忆效应最好，其次是高宽比为1∶1即50 mm×50 mm的模型，其他高宽比记忆效应则相对较差。

单轴加、卸载后，5种高宽比试件点荷作用下载的应力分布如图1所示，由图1可知，高宽比小的试件点荷载加压后，基元体破坏的范围Vm容易在高度上贯穿整个试件，难以模拟较多次数的重复加卸载过程，同时由于基元体破坏范围Vm较小，从而导致单轴加载后损伤基元很多不在Vm范围内，使点荷载加载方式难以反映先前损伤状态。高宽比大的试件，岩石试样强度降低，脆性增强，特别是在点荷载加载时，加载点与试样接触处周围区域内岩石容易破裂，也难以反映先前损伤状态。 3.2.2 循环加卸载声发射模拟结果分析

对于100 mm ×50 mm(高×宽)的试件，均质度取1.0 m，弹性模量取50 GPa，其在循环加卸载条件下声发射模拟结果见图2。模拟结果表明，点荷载作用下试件出现声发射与先前所受单轴加载应力值有密切关系，并且先前所受应力越大，点荷载加压出现声发射所对应的点荷载值也越大，从而说明岩石对先前应力的记忆效应可以通过点荷载声发射试验反映出来。

模拟结果还表明，在高应力阶段即相对峰值载荷较高的应力水平下，在接近上一循环点荷载值的地方就出现了声发射，如图2中第五循环所示，这与单轴循环加卸载声发射试验出现的Felicity效应[18]是类似的。