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

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，如石油天然氣儲備庫、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)理論及對應(yīng)的裂紋擴展演化規(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展貫通的結(jié)果；巖石的抗壓強度并不是巖石的固有屬性，而是會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度均會有所提高，但巖石的應(yīng)力門檻值，如裂紋起裂應(yīng)力σ_ci、裂紋破壞損傷應(yīng)力σ_cd則不會隨加載條件改變而變化，在長期荷載作用下巖石的單軸壓縮強度與裂紋破壞損傷應(yīng)力σ_cd基本保持一致，且?guī)r石加載過程中微裂紋不同階段擴展演化規(guī)律與應(yīng)力門檻值直接相關(guān)，因此研究巖石微裂紋擴展演化規(guī)律及各應(yīng)力門檻值十分重要。

巖石微裂紋擴展演化規(guī)律研究方法有多種，如AE法、應(yīng)變計算法等，這里提出一種較方便快捷的測試方法，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，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展。巖石在加載過程中會經(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)定擴展階段、不穩(wěn)定擴展階段及峰后階段等，微裂紋的擴展演化過程直接決定了巖石宏觀力學(xué)特性的變化，同時裂紋破壞損傷應(yīng)力σ_cd與巖石的長期強度基本一致，也是巖石長期強度預(yù)測的一種新方法，因此如何判別巖石微裂紋擴展演化不同階段對應(yīng)的應(yīng)力門檻值問題亟待解決。

技術(shù)實現(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)變測試判別裂紋擴展演化過程的方法。

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

步驟一、將實驗巖樣按照規(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、對巖樣進行加載，同時測試巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線過程中的軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，直到巖石破壞；

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

步驟五、計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，同時通過動點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，采用動點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，通過該體應(yīng)變率的變化規(guī)律識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稱布置4個軸向應(yīng)變片和4個環(huán)向應(yīng)變片，共計12個軸向應(yīng)變片和12個環(huán)向應(yīng)變片，所述應(yīng)變片與巖樣側(cè)面通過502膠水粘貼。

進一步，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稱布置4個軸向應(yīng)變片和4個環(huán)向應(yīng)變片，共計1個環(huán)向應(yīng)變規(guī)、8個軸向應(yīng)變片和8個環(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502膠水粘貼。

進一步，所述步驟五中采用傳統(tǒng)計算應(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)公式計算出裂紋體應(yīng)變變化規(guī)律，最終得到各應(yīng)力門檻值。

進一步，所述步驟五中采用動點回歸分析處理方法得到軸向剛度和側(cè)向剛度變化，其中動點回歸分析處理方法取樣點間隔設(shè)置在總數(shù)據(jù)長度的3～5％。

進一步，所述步驟六中采用動點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，其中動點回歸分析處理方法取樣點間隔設(shè)置在總數(shù)據(jù)長度的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：本發(fā)明采用加載實驗系統(tǒng)同時測試巖樣軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變，不需要測試別的項目，且操作方便容易實現(xiàn)；該方法在巖樣不同高度位置布置多個軸向和環(huán)向應(yīng)變片測試巖樣應(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)變測試結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠；采用動點回歸分析處理方法，通過對多次實驗測試處理結(jié)果反復(fù)對比分析，提出取樣點間隔不能太大，太大反應(yīng)不出對應(yīng)變化規(guī)律，不敏感；同時亦不能太小，太小對應(yīng)變量太敏感，起伏較大不穩(wěn)定，建議取總數(shù)據(jù)長度的3～5％；該方法從巖石微裂紋擴展的本質(zhì)屬性出發(fā)，將裂紋的擴展轉(zhuǎn)化為對應(yīng)宏觀應(yīng)變的變化，將裂紋擴展演化過程簡化，簡單有效；同時將宏觀力學(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)與細觀微裂紋的擴展結(jié)合，建立宏觀力學(xué)參數(shù)隨裂紋擴展演化的變化規(guī)律，更加深入和清晰的認識巖石的裂紋擴展及破壞過程，具有較強的科研研究價值，同時能帶來較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例流程圖。

圖2是本發(fā)明設(shè)計的巖樣應(yīng)變片布置簡圖。

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

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

圖5是本發(fā)明提出的動點回歸分析處理方法原理示意圖。

圖6是本發(fā)明實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)。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述：

本實施例選取花崗巖為實驗巖樣，巖樣取自一采石場。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，首先將實驗巖樣進行室內(nèi)鉆取巖芯，采用標(biāo)準(zhǔn)磚頭及設(shè)備，然后對端面進行加工磨平，制成Φ50×100標(biāo)準(zhǔn)巖樣，并對端面及側(cè)面進行平整度及平行度較驗使之滿足規(guī)范要求。

2)粘貼應(yīng)變片，首先對加工好的巖樣側(cè)面擦拭干凈，為了更全面準(zhǔn)確地測試巖石各應(yīng)變變化，按照三個不同斷面位置進行粘貼軸向應(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進行該位置環(huán)向應(yīng)變測試，距離中部1/3巖樣高度的上部斷面分別對稱布置4個軸向應(yīng)變片1和4個環(huán)向應(yīng)變片2，同時距中部1/3巖樣高度的下部斷面也布置4個軸向應(yīng)變片1和環(huán)向應(yīng)變片2，如圖3所示，共計8個軸向應(yīng)變片1、8個環(huán)向應(yīng)變片2和1個環(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)實驗測試過程，采用MTS815.04巖石力學(xué)實驗機對巖樣進行加載，根據(jù)加載速率選取數(shù)據(jù)采樣率，這里采樣率為5Hz，實驗過程中同時記錄軸向應(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)實驗測試各通道應(yīng)力、應(yīng)變，對數(shù)據(jù)匯總，試驗中共測試了三個斷面的軸向和環(huán)向應(yīng)變，分別取其平均值作為對應(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)計算公式得到裂紋引起的體積應(yīng)變，得到各應(yīng)力門檻值，如圖4所示，計算如下：

根據(jù)軸向應(yīng)變ε₁及側(cè)向應(yīng)變ε₃可計算巖樣總的體積應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε_v＝ε₁+2ε₃

根據(jù)線彈性段計算出彈性模量E和泊松比υ，進而可以計算得出不同應(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：

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

同時采用動點回歸分析處理方法，示意圖如圖5，對間隔一定區(qū)域樣本視作呈線性變化，因此樣本間隔長短對結(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，呈鋸齒狀波動變化，依據(jù)對多次試驗數(shù)據(jù)的反復(fù)處理對比得出：數(shù)據(jù)樣本間隔大小宜在3～5％總數(shù)據(jù)長度，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)試驗測試的各應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果，采用動點回歸分析處理方法，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)明實施例采用傳統(tǒng)計算應(yīng)變法所得各應(yīng)力門檻值及微裂紋擴展不同階段劃分結(jié)果，但計算應(yīng)變法需要通過線彈性段的彈性模量E和泊松比υ計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)力門檻值對彈模和泊松比的取值依賴較大，而對于泊松比，從圖4可看出側(cè)向應(yīng)變在整個加載過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，同時將整個加載階段巖石基質(zhì)的彈性模量默認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)變來反應(yīng)裂紋擴展更加全面，反映了應(yīng)變變化的本質(zhì)，將微裂紋擴展轉(zhuǎn)化成可量化的應(yīng)變值，結(jié)果如圖8所示，微裂紋擴展的不同階段對應(yīng)著應(yīng)變率的變化率的拐點，該方法快捷且容易操作，受人為選取參數(shù)的影響較小，同時該發(fā)明中給出動點回歸分析處理方法取樣建議值，增加了實驗結(jié)果的可對比性和可重復(fù)性。因此，采用本發(fā)明提供的一種基于應(yīng)變測試判別裂紋擴展演化過程的方法能夠解決微裂紋擴展演化階段對應(yīng)的應(yīng)力門檻值的難題，增加了實驗的可操作性和準(zhǔn)確性。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進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。