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(2)

?0 (ε≤εu1)

?

(3) =?ε

()d(＞)?εεxxu1??∫εu1

式中：Np2为岩石单轴加压卸载后点荷载重新加压应力水平下的声发射累积数。

3 数值模拟及结果分析

3.1 模型的建立

为了了解不同尺寸、不同力学参数对受点荷载作用下的岩石应力记忆效应的影响，试件模型共选择5种不同高宽比的模型，其中对于100 mm ×50 mm(高×宽)的模型选择了不同均质度和弹性模量，计算模型共为14个，整个加载过程采用位移控制的加载方式，加载位移量?s=0.001 mm，首先采用单轴压缩加载方式，待出现声发射后卸载，作为单轴加载的第一循环，卸载后的试件再采用点荷载方式加载，出现声发射后卸载，作为点荷载加载的第一循环，如此进行循环加卸载试验，模拟岩石点荷载对先前所受应力即单轴加载下岩石所受应力的记忆效应。设定试件的力学性质服从Weibull分布，基元力学性质及相变准则控制参数如表1所示。 3.2 结果分析

表1 基元力学性质及相变准则控制参数

Table 1 Parameters of mechanical properties and transformation criterion of basic element

试件尺寸(高×宽)/(mm×mm)

基元力学性质参数

网格数/个均质度/m

弹性模量/GPa

50 50

泊松比μ

相变阀值均内摩擦值σ0/MPa

相变准则控制参数

压拉比

残余阀值最大拉应系数

变系数

最大压应变系数

相变准则

角/(°)

25×50 25×50 1.0 50×50 50×50 1.0

0.25 300 30 10 0.1 1.5 200 0.25 300 30 10 0.1 1.5 200

修正

0.25 300 30 10 0.1 1.5 200

后的

100×50 100×50 1.0 10，20，30，40，50100×50 100×50

1.5，2.0，3.0，

4.0

库仑50 0.25 300 30 10 0.1 1.5 200

准则 50 50

0.25 300 30 10 0.1 1.5 200 0.25 300 30 10 0.1 1.5 200

150×50 150×50 1.0

200×50 200×50 1.0

? 2698 ? 岩石力学与工程学报 2009年

50×

50 100×50 150×50 200×50 25×50

6

声发射数

5432100

20

406080

单轴加载强度百分比/%

2声发射数

图1 5种高宽比试件点荷载作用下应力分布(单位：mm) Fig.1 Stress distributions for five specimens with different ratios

of height to width under point load(unit：mm)

声发射数 声发射数 1

0160

200240点荷载值/N (c) 第三循环

280

声发射数

声发射数

160

200240 点荷载值/N (d)

第四循环

280

单轴加载强度百分比/%

0.03210160

单轴加载强度百分比

/%

200240点荷载值/N (a) 第一循环

280

声发射数

声发射数

5432102

单轴加载强度百分比/%

声发射数

160

200 240 点荷载值/N (e) 第五循环

280

单轴加载强度百分比/%

声发射数

10160200240280

点荷载值/N (b) 第二循环

图2 循环加卸载条件下声发射模拟结果

Fig.2 Results of AE counts under repeated loading condition

with RFPA2D

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 ? 2699 ?

在均质度分别取为1.0，1.5，2.0，3.0，4.0 m弹性模量分别取为10，20，30，40，50 GPa的条件下，可以得到与图2类似的模拟结果，说明用点荷载声发射试验反映岩石先前所受应力状态具有一定的普遍性。如果采用圆形试件模型也可得到上述结论，限于篇幅，此不赘述。

射检测仪及其分析系统，可同时采集幅度、能量、振铃计数、上升时间、有效值电压等参数。 4.1.2 试验过程

采用SHM–200型双端面磨石机加工岩石试件，使两端面保持平行，便于单轴加载，另外4个面不需要加工。垫层材料采用橡胶皮，以减小摩擦噪声，点荷载加压时，将上次加压时压头与试件接触点处清理干净，避免细小岩屑产生摩擦噪声，在声发射探头与试件接触面上抹一层硅胶，排净空气，用透明胶将探头固定。

试件安装好后，首先进行单轴加载声发射试验，设置好声发射检测系统参数后进行试验，试验时同时点击加载系统的程序运行按扭和声发射检测系统的开始按扭，2台计算机就同时采集试验所需要的数据。在RMT–150C岩石力学试验系统上控制模式为力，出现声发射后，保持压力不变并保持若干分钟后卸载，加载速率控制在0.01 kN/s，出现声发射后卸载，完成一次循环。

继续上述试验，进行下面的循环试验，试验过程与第一次相同，只是单轴加压压力值要超过上次的值，直到出现新的声发射。 4.2 试验结果与分析

共加工了11个试件，由于有些试件在单轴加载或点荷载加载时破坏，未取得有效试验结果，其中5个试件取得较理想试验数据，试件尺寸规格及循环次数见表2。

表2 试件规格及循环次数

Table 2 Dimensional sizes of specimens and times of cycle

loading

4 试验及结果分析

4.1 试验设备及试验过程 4.1.1 试验设备

为了验证用点荷载声发射试验反映岩石先前所受应力状态的可行性，进行了循环加卸载声发射试验，试验设备主要由加载系统、声发射系统、计算机信息处理系统组成。

加载系统分为单轴和点荷载2种方式，如图3所示。单轴加载采用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT–150C型岩石力学试验系统，加载全过程中可同时采集应力、应变、时间等数据，并绘制相应关系图表；点荷载加载采用意大利生产的45–D0550/D型数字式点荷载仪，可较好地控制加载速度为0.01 kN/s，并自动记录施加的最大点荷载值。声发射系统采用WAE2002全波形多通道声发

(a) 单轴加载

尺寸/mm

试件编号

1 2 3 4 5

岩性

长

砂岩

9.8

宽 6.8

高 8.8

3 循环次数

砂岩 33.9 46.6 42.7 2 砂岩 32.5 44.6 57.8 4 砂岩 33.9 46.3 58.6 3 花岗岩 98.4 50.1 55.3 4

注：高的方向为加载方向。

试验结果如图4所示，由图4可看出，尽管每

(b) 点荷载加载

个试件加卸载循环次数不同，但都表明了通过点荷载声发射试验能够反映试件先前应力状态，随着试件先前所受应力的增加，点荷载加压出现声发射时的点荷载值也增加，与数值模拟得到的结果是一致的。

图3 加载装置及探头布置

Fig.3 Test device of loading and layout of sensors

? 2700 ? 岩石力学与工程学报 2009年

振铃计数

80

60振铃计数

40

20

平面载荷/kN

平面载荷/kN

(e) 试件3单轴平面载荷与振铃计数关系

点载荷/kN

(a) 试件1单轴平面载荷与振铃计数关系 振铃计数

点载荷/kN

(b) 试件1点荷载与振铃计数关系

005

平面载荷/kN

10

1520

振铃计数

振铃计数

10050(f) 试件3点荷载与振铃计数关系 6050403020100 平面载荷/kN

6振铃计数

42 (c) 试件2单轴平面载荷与振铃计数关系

(g) 试件4单轴平面载荷与振铃计数关系

振铃计数

05040振铃计数

3020100

5

2

4

6

8 10 点载荷/kN

点载荷/kN

10 15

12 14

(d) 试件2点荷载与振铃计数关系

(h) 试件4点荷载与振铃计数关系

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 ? 2701 ?

复大量试验，利用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，可较好地弥补目前现场地应力测量测点数目较少的局限性，验证套孔应力解除法等现场测量得到的结果。如果矿山存在地应力异常地段，则采用本文提出的方法就能够发现。

(3) 岩石高宽比对岩石点荷载声发射试验结果

平面载荷/kN

有一定影响，因此，高宽比在1∶1～2∶1范围内比较合适。

(4) 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，但如何将这种相关关系定量化，以便实现现场地应力更为准确的评估还需要作更为深入的系统研究。

参考文献(References)：

[1] 李 宏，张伯崇. 北京房山花岗岩原地应力状态AE法估计[J]. 岩

(i) 试件5单轴平面载荷与振铃计数关系

振铃计数

6040200246 /kN 点载荷

(j) 试件5点荷载与振铃计数关系

81012

石力学与工程学报，2004，23(8)：1 349–1 352.(LI Hong，ZHANG Bochong. In-situ stress measurement of Fangshan granite[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(8)：1 349– 1 352.(in Chinese))

[2] 赵 奎，金解放，王晓军，等. 岩石声速与其损伤及声发射关系研

究[J]. 岩土力学，2007，28(10)：2 105–2 109.(ZHAO Kui，JIN

图4 循环加卸载声发射试验结果

Fig.4 Experimental results of acoustic emission under cycle

loading

图4所示的规律与单轴加卸载循环试验得到的Kaiser效应规律是类似的，其不同之处在于卸载后重新加载采用的加载形式是点荷载，试验结果说明了岩石受点荷载作用下对其先前应力具有记忆效应的实质是记忆先前损伤状态，只有达到并超过先前的基元损伤状态才能再产生声发射，与通常的Kaiser效应不同的是达到先前损伤状态的加载方式不同。

Jiefang，WANG Xiaojun，et al. Study on rock damage and acoustic emission based on ultrasonic velocity test of rock specimen under uniaxial compression[J]. Rock and Soil Mechanics，2007，28(10)： 2 105–2 109.(in Chinese))

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