一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法

本发明涉及岩体力学技术领域，具体为一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法。

背景技术：

岩体失稳一直是矿山、水利及地下工程所面临的重大安全威胁，在岩土工程中，往往会遇到循环加卸载的情况，如洞室的开挖及支护过程、桥墩的基岩、地质构造运动等，因此了解岩石的损伤演化机理和裂纹的拓展规律对于判定当前岩体的损伤状态以及岩石工程的施工安全、灾害预警具有着重要的现实意义。本发明给出了声波和应力联合表征岩石内部损伤演化的方法，为声波探测岩石损伤技术的发展提供了新思路。

在脆性岩石的压缩破坏过程中，破坏并不是一瞬间发生的，而是一个裂纹萌生、发展、贯通并最终整体破坏的过程。脆性岩石的渐进破坏可分为五个阶段：第一阶段为原有裂纹压密阶段，这一阶段岩石原有的裂隙在外力作用下发生闭合，第一阶段结束时对应的应力称为压密应力(crackclosurestress,σcc)；第二阶段为线弹性变形阶段，在这一阶段里岩石的应应力应变曲线呈现出线性关系，撤去外力后岩体产生的弹性变形可以恢复。岩石的弹性模量和泊松比也可在这一阶段测得；第三阶段为裂纹起裂和稳定扩展阶段，应力应变曲线偏离原来的直线关系，岩石处于破裂损伤阶段，岩石内部微裂纹萌生、拓展，这一阶段开始时对应的应力称为裂纹起裂应力(crackinitiationstress,σci)；第四阶段为裂纹破坏和不稳定扩展阶段，岩石开始出现宏观的破坏，裂纹大量发展，贯通。如果加载应力持续大于σcd的荷载一定时间后，试样发生最终破坏。该阶段开始时对应的应力称为裂纹破坏应力(crackdamagestress,σcd)；第五阶段为峰值破坏和峰后阶段，不稳定的裂纹扩展持续到许多微裂纹已经结合的程度，试件已经进入了残余强度阶段。内部结构已经遭到了严重破坏，岩体虽然有一定的承载能力，但内部已经形成了宏观的破裂面，该阶段峰值破坏强度为σf。

循环加卸载试验可以更好的观测岩石的渐进破坏以及揭示岩体内部的损伤演化过程，通过人为设置的承载路径，分析岩体受载历史与强度变化特征，从而对岩石的损伤演化定量评价。

声波能直观反映岩石内部裂纹扩展，通常来说，微裂纹的存在，使得岩石中声波的波速降低，因此在压缩过程中岩石试件的破坏是轴向微裂纹产生和扩展的微观反映，是损伤累积的结果。

在岩石试件的加载过程中，压实初期，p波速度增大。当试件达到非线性变形阶段时，由于裂纹的萌生和扩展，纵波速度出现波动，峰值应力后，试样中形成宏观断裂，导致纵波速度迅速下降。

整个变化过程超声波速度同应力变化曲线具有高度的一致性，因此纵波速度的变化可以作为评价岩石内部结构应力状态、变形状态和损伤状态的判定指标。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法，解决了背景技术提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法，包括th100系列声波参数测试仪、pc机、微机控制电液伺服岩石三轴剪切流变试验机；所述微机控制电液伺服岩石三轴剪切流变试验机与pc机相连。

优选的，包括以下几个步骤：

步骤一、将岩石试样置于试验机上并固定好，将声波压头放置于岩石试样的两端，设置激发声波信号的数量、采集频率为30s；

步骤二、启动试验机和声波采集系统，采用等塑性应变循环加卸载方案，应变增量为εp＝0.1％，直至峰后不再软化时，试验停止；

步骤三、输出应力应变数据和声波数据，并通过数据得到应力应变曲线、总体积应变曲线、弹性体积应变曲线、裂隙体积应变曲线，并通过曲线找到应力特征值；

步骤四、对声波数据进行修正；

步骤五、画出波速-时间曲线，分析每一次循环荷载过程中的声波波形变化趋势，定义波速特征值：vpc、vpi、vpd；

步骤六、画出波速-时间-应力曲线，定义波速-应力特征值σvpi、σvpd，以波速-应力特征值与应力特征值联合判断岩体损伤程度；

优选的，所述步骤三具体为：

(1)、以轴向应变εaxial为横轴、主应力差(以下简称为应力)σ1-σ3为纵轴，建立应力-应变曲线；

(2)、三轴压缩条件下，总体积应变由横向应变和轴向应变计算，并以轴向应变为横轴，总体积应变为纵轴，建立总体积应变-轴向应变曲线；

式中；εaxial、εlateral分别为轴向和横向应变；

(3)、通过应力应变曲线的直线段计算岩石试样的弹性模量e和泊松比ν，直线段参考范围大概为20％～40％，弹性模量e＝σ/εaxial，即应力应变曲线的斜率；泊松比ν＝εlateral/εaxial；

(4)、通过下式计算弹性体积应变εve：

(5)、裂隙体积应变由总体积应变减去弹性体积应变得到，即

εvc＝εv-εve(3)

(6)、建立弹性体积应变-轴向应变曲线，裂隙体积应变-轴向应变曲线。

(7)、脆性材料的应力-应变曲线能划分为5个分区；岩石的破坏是一个裂纹逐渐萌芽，发展，破坏的过程，因而可以通过裂隙体积变化曲线和体积应变曲线分别来确定裂纹起始应力σci和裂纹破坏应力σcd；体积应变的拐点标志着裂纹不稳定扩展阶段(ⅳ)的开始，因此拐点对应为σcd。

优选的，所述步骤四具体为：

提取每个时间节点的声波纵波首波，以试件长度和声波传输时间确定首波波速；设试件长度，由于试样在压缩过程中发生了竖向变形，因此需要对每个时刻的试样长度和波速进行修正：

l1＝l0×(1-εt)；vp＝vp′×(1-εt)(4)

式中：l0为试样原始长度，l1为修正后试样长度，εt为某一时刻试样的轴向应变，vp′为试样原始波速，vp为修正后试样波速；

优选的，所述步骤五具体为：

以时间为横轴，声波值为纵轴画出声波-时间曲线，将波速变化过程分为三个区：波速稳定增长阶段、波速减速增长阶段、波速下降阶段；斜率由缓到急变化的第一个声波转折点为vpc，斜率再由急到缓的第二个声波转折点为vpi；最后声波峰值点为vpd；定义这三个点为波速特征值。

优选的，所述步骤六具体为：

(1)将应力数据代入波速-时间曲线，画出声波-时间-应力曲线，将试样每次循环中声波特征值所在时间点对应应力定义为波速-应力特征值σvpc、σvpi、σvpd；

(2)将“波速-应力特征值”与“应力特征值”进行比较，将其二者联合来判定岩石损伤的程度；

优选的，对循环加卸载过程中的“波速-应力特征值”和“应力特征值”进行记录：岩石的纵波与应力的变化具有良好的对应关系；在所有的循环次数中“波速-应力特征值”：σvpc、σvpi基本上等于“应力门槛值”σcc、σci，且误差较小；而σvpd和σcd则不是每次循环都对应的，当岩石试样内的裂纹没有发育饱和时，σvpd对应的应力值等于裂纹扩展应力σf，在试样内裂缝发育饱和试样压缩进入了残余变形阶段后，σvpd等于峰值应力σf。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：为了解决有效地评价脆性岩石内部损伤演化程度的难题，本发明提供一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法，利用声波对裂纹扩展产生变化更加敏感的特性，通过声波拐点确定岩石内部裂纹演化阶段，演化阶段的划分主要采用的是传统的应力特征值划分阶段的方法，将声波特征值与传统的应力特征值评价脆性岩石渐进破坏程度方法相结合，共同表征岩石渐进破坏的程度。从而使得评定脆性岩石内部损伤演化程度的置信区间大大提高。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法工作流程图；

图2为试验过程示意图；

图3为传统的应力特征值的取值方法图；

图4为波速特征值的取值方法图；

图5为声波-时间-应力图，并表明了“波速-应力特征值”的取值方法；

图6为循环加卸载过程的声波-时间-应力图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图6，本发明提供一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法技术方案：一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法，包括th100系列声波参数测试仪、pc机、微机控制电液伺服岩石三轴剪切流变试验机；所述微机控制电液伺服岩石三轴剪切流变试验机与pc机相连。

本实施例，进一步的，包括以下几个步骤：

步骤一、将岩石试样置于试验机上并固定好，将声波压头放置于岩石试样的两端，设置激发声波信号的数量、采集频率为30s；

步骤二、启动试验机和声波采集系统，采用等塑性应变循环加卸载方案，应变增量为εp＝0.1％，直至峰后不再软化时，试验停止；

步骤三、输出应力应变数据和声波数据，并通过数据得到应力应变曲线、总体积应变曲线、弹性体积应变曲线、裂隙体积应变曲线，并通过曲线找到应力特征值；

步骤四、对声波数据进行修正；

步骤五、画出波速-时间曲线，分析每一次循环荷载过程中的声波波形变化趋势，定义波速特征值：vpc、vpi、vpd；

步骤六、画出波速-时间-应力曲线，定义波速-应力特征值σvpi、σvpd，以波速-应力特征值与应力特征值联合判断岩体损伤程度；

本实施例，进一步的，所述步骤三具体为：

(1)、以轴向应变εaxial为横轴、主应力差(以下简称为应力)σ1-σ3为纵轴，建立应力-应变曲线；

(2)、三轴压缩条件下，总体积应变由横向应变和轴向应变计算，并以轴向应变为横轴，总体积应变为纵轴，建立总体积应变-轴向应变曲线；

式中；εaxial、εlateral分别为轴向和横向应变；

(3)、通过应力应变曲线的直线段计算岩石试样的弹性模量e和泊松比ν，直线段参考范围大概为20％～40％，弹性模量e＝σ/εaxial，即应力应变曲线的斜率；泊松比ν＝εlateral/εaxial；

(4)、通过下式计算弹性体积应变εve：

(5)、裂隙体积应变由总体积应变减去弹性体积应变得到，即

εvc＝εv-εve(3)

(6)、建立弹性体积应变-轴向应变曲线，裂隙体积应变-轴向应变曲线。

(7)、脆性材料的应力-应变曲线能划分为5个分区；岩石的破坏是一个裂纹逐渐萌芽，发展，破坏的过程，因而可以通过裂隙体积变化曲线和体积应变曲线分别来确定裂纹起始应力σci和裂纹破坏应力σcd；体积应变的拐点标志着裂纹不稳定扩展阶段(ⅳ)的开始，因此拐点对应为σcd。

本实施例，进一步的，所述步骤四具体为：

提取每个时间节点的声波纵波首波，以试件长度和声波传输时间确定首波波速；设试件长度，由于试样在压缩过程中发生了竖向变形，因此需要对每个时刻的试样长度和波速进行修正：

l1＝l0×(1-εt)；vp＝vp′×(1-εt)(4)

式中：l0为试样原始长度，l1为修正后试样长度，εt为某一时刻试样的轴向应变，vp′为试样原始波速，vp为修正后试样波速；

本实施例，进一步的，所述步骤五具体为：

以时间为横轴，声波值为纵轴画出声波-时间曲线，将波速变化过程分为三个区：波速稳定增长阶段、波速减速增长阶段、波速下降阶段；斜率由缓到急变化的第一个声波转折点为vpc，斜率再由急到缓的第二个声波转折点为vpi；最后声波峰值点为vpd；定义这三个点为波速特征值。

本实施例，进一步的，所述步骤六具体为：

(1)将应力数据代入波速-时间曲线，画出声波-时间-应力曲线，将试样每次循环中声波特征值所在时间点对应应力定义为波速-应力特征值σvpc、σvpi、σvpd；

(2)将“波速-应力特征值”与“应力特征值”进行比较，将其二者联合来判定岩石损伤的程度；

本实施例，进一步的，对循环加卸载过程中的“波速-应力特征值”和“应力特征值”进行记录：岩石的纵波与应力的变化具有良好的对应关系；在所有的循环次数中“波速-应力特征值”：σvpc、σvpi基本上等于“应力门槛值”σcc、σci，且误差较小；而σvpd和σcd则不是每次循环都对应的，当岩石试样内的裂纹没有发育饱和时，σvpd对应的应力值等于裂纹扩展应力σf，在试样内裂缝发育饱和试样压缩进入了残余变形阶段后，σvpd等于峰值应力σf。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。