本发明涉及岩石力学试验技术领域，尤其涉及一种确定室内岩石加卸载过程中内部视应力场的方法。
背景技术
伴随着我国岩石力学工程的迅速发展，地下工程的开挖深度与规模不断扩大。深部岩体的原岩应力状态被打破，局部位置出现应力集中现象。在应力集中区域有可能出现的岩爆、塌方、冒顶等灾害，已经成为影响岩石工程发展的主要问题。
针对现场岩土工程中所遇到的各种灾害，国内外岩石力学领域学者专家进行了大量的室内岩石力学实验。将各种现场情况抽象出到室内，可以充分了解不同岩石的力学性质并制定针对不同岩石有可能发生的灾害的预警方案。
目前，室内岩石力学实验过程中的监测手段主要包括表面观测方法应变片、数字图像相关(dic)与内部观测方法声发射、红外辐射探测法等。其中，应变片、数字图像相关等测试手段多是监测岩石试样的表面状态的变化，无法获得岩石内部变化情况；传统声发射实验也主要关注于事件发生率、kaiser效应与平静期，无法获得岩石内部变化情况，也无法对岩石内部变化情况进行可视化处理；红外辐射探测法通过研究岩石破裂时发生的包括可见光和近红外波段的电磁辐射现象，把内部损伤引起的热能作为研究的参数，从作用过程的力-热耦合来分析损伤和破坏机理；但所测试结果受所测物理力学参数影响较大，测试精度较低。
上述缺陷是本邻域技术人员期望克服的。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中室内岩石力学实验过程中的监测手段的测试精度较低、无法对岩石内部变化情况进行可视化处理的问题，本发明提供一种确定室内岩石加卸载过程中内部视应力场的方法，以实现有效获得岩石在不同应力状态下内部视应力场分布情况的这一目的。
(二)技术方案
第一方面，为解决以上问题，本发明提供的技术方案为：
一种确定室内岩石加卸载过程中内部视应力场的方法，包括：
步骤s10：根据从声发射测试系统获取的测试数据，确定在加卸载过程中岩样内部发生的m处微破裂事件被n个声发射探头检测到的p组声发射数据，其中，第j处微破裂事件的位置坐标为wj，第j处微破裂事件被nj个声发射探头检测到，其中，n≥4，nj≥4，1≥j≥m，m≥1，
步骤s20：根据所述p组声发射数据，确定所述m处微破裂事件对应的视应力；
步骤s30：根据获取的岩样剖面的位置坐标，确定所述岩样剖面上或位于所述岩样剖面的预先设定的区域内的q个微破裂事件，q≥0；
根据所述q处微破裂事件对应的视应力，确定所述岩样剖面上各点处的视应力。
作为本发明的进一步改进，所述步骤s30之后，还包括步骤s40：
在显示设备上显示所述岩样剖面上各点处的视应力，以展示所述岩样剖面对应的视应力场。
作为本发明的进一步改进，，所述步骤s20，包括：
针对每一组声发射数据d(t)，确定检测到所述声发射数据的声发射探头的安装位置与所述声发射数据对应的微破裂事件的距离d，所述声发射数据d(t)对应的声发射位移谱d(f)和声发射速度谱v(f)；
根据式(1)，确定声发射速度功率谱sv：
根据式(2)，确定声发射位移功率谱sd：
根据式(3)，确定微破裂处的地震辐射能量es：
es＝4πρdβsv(3)；
其中，β为所述岩样中s波的波速，ρ为所述岩样的密度；
根据式(4)，确定零频极限值ω0：
ω02＝4sd3/2sv-1/2(4)；
根据式(5)，确定岩样微破裂处的地震矩m0：
根据式(6)，确定岩样微破裂处的视应力σapp：
其中，μ为岩样的剪切模量。
作为本发明的进一步改进，所述步骤s20，还包括：
针对位置坐标wj处的第j处微破裂对应的nj组声发射数据：
根据所述nj组声发射数据分别对应的地震矩m0、地震辐射能量es或视应力σapp，及式(7)确定第j处微破裂的视应力σ：
其中：xi为根据第i组声发射数据确定的第j处微破裂的地震矩m0、地震辐射能量es或视应力σapp。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤s10之前，还包括：
步骤s100：制备岩样、并将所述岩样以端面加载的方式设置在试验机上；
步骤s200：在所述岩样上布置至少4个声发射探头，并将所述声发射探头与声发射测试系统连接；
步骤s300：控制所述试验机向所述岩样加卸载，并控制所述声发射测试系统同步地采集测试数据。
作为本发明的进一步改进，所述步骤s100中，
所述岩样为长方体或立方体，所述岩样的端面与所述试验机的承压板之间设置有减摩层。
作为本发明的进一步改进，所述减摩层包括聚四氟乙烯薄膜和黄油；
自所述岩样的端面，依次布置有所述聚四氟乙烯薄膜、所述黄油和所述承压板。
作为本发明的进一步改进，所述的方法，
所述岩样为长方体或立方体，所述岩样的端面的不平整度不大于0.02mm；
所述岩样的上下两个端面相互平行，所述两个端面在空间形成的夹角小于0.25°。
第二方面，为解决以上问题，本发明提供的技术方案为：
一种确定室内岩石加卸载过程中内部视应力场的系统，包括：
试验机，适于以端面加载的方式向制备且安装于承压板的岩样加卸载；
声发射测试系统，适于与所述岩样上布置的至少4个声发射探头连接，在所述试验机向所述岩样加卸载时，同步地采集所述岩样微破裂处的多组声发射信号，以获得测试数据；
数据处理装置，适于根据从所述声发射测试系统获取的所述测试数据，实现如第一方面中说明的任一项的方法。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供的方法通过声发射系统监测并记录岩样在应力作用下内部微破裂释放的弹性波；根据声发射系统监测的数据确定微破裂处的震源谱参数，也即地震矩、地震能量；并进一步确定该微破裂处的视应力。
针对岩样的任一剖面，根据该剖面上及该剖面周围的微破裂事件，确定该剖面上各点处的地震矩与地震能量及应力，并进行可视化显示，从而得到岩石内部视应力场云图。
本发明提供的方法可以获取室内岩石加卸载过程中内部视应力场的演化过程，更加直观的了解岩石试样内部变化情况。
附图说明
图1为本发明实施例的测试系统的总体布置图；
图2为本发明实施例的岩石内部声发射事件的位置示意图；
图3为本发明实施例的岩石内部视应力剖面位置图；
图4为本发明实施例的如图3所示的一个岩石内部剖面的视应力场云图；
图5为本发明实施例的如图3所示的另一个岩石内部剖面的视应力场云图；
图6为本发明实施例的如图3所示的又一个岩石内部剖面的视应力场云图；
图7为本发明实施例的如图3所示的再一个岩石内部剖面的视应力场云图；
图8为本发明实施例的如图3所示的再一个岩石内部剖面的视应力场云图；
图9为本发明实施例的根据微破碎处的应力插值得到临近点的应力的示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
为了克服室内岩石力学实验无法获得岩石内部变化情况的不足，本发明提供了一种确定室内岩石加卸载过程中内部视应力场的方法，为室内岩石力学实验提供了新的观测岩石内部变化情况的方法。
通常，室内声发射监测中声发射传感器距离岩样微破裂处的距离较近，属于近震源监测。
本发明提供的方法通过声发射系统监测并记录岩样在应力作用下内部微破裂释放的弹性波；根据声发射系统监测的数据确定微破裂处的震源谱参数，也即地震矩、地震能量；并进一步确定该微破裂处的视应力。
进一步地，针对岩样的任一剖面，根据该剖面上及该剖面周围的微破裂事件，确定该剖面上各点处的地震矩与地震能量及应力，并进行可视化显示，从而得到岩石内部视应力场云图。
应当理解为：针对室内试验，位置点坐标的分辨率多为1毫米或数毫米。具体情况视计算机计算能力与云图效果而定，分辨率越高，则计算量越大、云图过渡的效果越好。
利用本发明提供的方法可以获取室内岩石加卸载过程中内部视应力场的演化过程，更加直观的了解岩石试样内部变化情况。
本发明的一种确定室内岩石加卸载过程中内部视应力场的方法，包括：
步骤s10：根据从声发射测试系统获取的测试数据，确定在加卸载过程中岩样内部发生的m处微破裂事件被n个声发射探头检测到的p组声发射数据，其中，第j处微破裂事件的位置坐标为wj，第j处微破裂事件被nj个声发射探头检测到，其中，n≥4，nj≥4，1≥j≥m，m≥1，
步骤s20：根据所述p组声发射数据，确定所述m处微破裂事件对应的视应力；
步骤s30：根据获取的岩样剖面的位置坐标，确定所述岩样剖面上或位于所述岩样剖面的预先设定的区域内的q个微破裂事件，q≥0；
根据所述q处微破裂事件对应的视应力，确定所述岩样剖面上各点处的视应力。
需要说明的是，声发射测试系统通常内置有数据处理软件，可以在结束数据采集后，按照声发射事件的位置坐标和发生时间的先后顺序输出完成声发射定位处理后的声发射数据。
进一步地，所述步骤s30之后，还包括步骤s40：
在显示设备上显示所述岩样剖面上各点处的视应力，以展示所述岩样剖面对应的视应力场。
需要说明的是，目前一些商用的微震数据可视化与分析软件，能够方便地根据地震矩m0、地震辐射能量es或视应力数据绘制出视应力场云图。如iss国际的先进的微震数据可视化与分析软件包jdi，其可运行于windows和linux。
进一步地，所述步骤s20，包括：
针对每一组声发射数据d(t)，确定检测到所述声发射数据的声发射探头的安装位置与所述声发射数据对应的微破裂事件的距离d，所述声发射数据d(t)对应的声发射位移谱d(f)和声发射速度谱v(f)；
根据式(1)，确定声发射速度功率谱sv：
根据式(2)，确定声发射位移功率谱sd：
根据式(3)，确定微破裂处的地震辐射能量es：
es＝4πρdβsv(3)；
其中，β为所述岩样中s波的波速，ρ为所述岩样的密度；
根据式(4)，确定零频极限值ω0：
ω02＝4sd3/2sv-1/2(4)；
根据式(5)，确定岩样微破裂处的地震矩m0：
根据式(6)，确定岩样微破裂处的视应力σapp：
其中，μ为岩样的剪切模量。
进一步地，所述步骤s20，还包括：
针对位置坐标wj处的第j处微破裂对应的nj组声发射数据：
根据所述nj组声发射数据分别对应的地震矩m0、地震辐射能量es或视应力σapp，及式(7)确定第j处微破裂的视应力σ：
其中：xi为根据第i组声发射数据确定的第j处微破裂的地震矩m0、地震辐射能量es或视应力σapp。
进一步地，在所述步骤s10之前，还包括：
步骤s100：制备岩样、并将所述岩样以端面加载的方式设置在试验机上；
步骤s200：在所述岩样上布置至少4个声发射探头，并将所述声发射探头与声发射测试系统连接；
步骤s300：控制所述试验机向所述岩样加卸载，并控制所述声发射测试系统同步地采集测试数据。
进一步地，所述步骤s100中，
所述岩样为长方体或立方体，所述岩样的端面与所述试验机的承压板之间设置有减摩层。
进一步地，所述减摩层包括聚四氟乙烯薄膜和黄油；
自所述岩样的端面，依次布置有所述聚四氟乙烯薄膜、所述黄油和所述承压板。
进一步地，所述的方法，
所述岩样为长方体或立方体，所述岩样的端面的不平整度不大于0.02mm；
所述岩样的上下两个端面相互平行，所述两个端面在空间形成的夹角小于0.25°。
具体地，本发明实施例的确定室内岩石加卸载过程中内部视应力场的方法，包括以下步骤：
步骤一、根据试验机的加载能力及功能、拟用岩石的力学性质等参数，确定试样的几何尺寸并制备符合要求的岩石试样(也可以简称岩样)。
本步骤中可以采用长方体或立方体岩石试样；该岩石试样的加载面的不平整度不大于0.02mm；岩样两个相对的加载面相互平行，两相对的加载面在空间形成的夹角小于0.25°。
形位误差满足以上精度要求的岩样，在加卸载过程中，可以最大限度地避免应力集中，从而更真实地展示岩样的内部变化。
岩样的制备与放置，具体实现如下：
参见图1，制取200*200*150mm的方形花岗岩试样。对各面进行打磨，各面不平度小于0.02mm；岩样上下两个加载面相互平行，夹角为0.2°。
利用岩石波速测试仪测量该岩样的超声波波速为4200m/s。这里的超声波波速为p波的波速，即岩石微破裂处弹性波的传播速度。该超声波波速将在声发射定位过程中使用，如，用于确定声发射事件与声发射探头之间的距离。
步骤二、对岩石试样加载面进行端部减摩处理。
在以往的岩石试样加卸载过程实验中，发生过当岩石试样在加载过程中的变形与承压板的变形比例不一致而造成承压板与试样端部之间产生摩擦力进而限制试样端部变形并最终而影响试样的应力分布等力学性质的现象。
针对以上问题，如图1所示，在加卸载操作之前，可以在试样与承压板1之间放置一层聚四氟乙烯薄膜2且在薄膜与承压板1之间涂适量黄油，从而减小端部摩擦效应对应力分布等力学性质的影响。
具体地，将岩石试样摆放于试验机上。在岩石上下加载面与试验机的上下两个压头之间分别布置聚四氟乙烯薄膜作为润滑油脂与试样之间的隔离层，以避免润滑油脂与试样直接接触而影响岩石的力学性质；润滑油脂则起到减摩的作用。
优选地，在薄膜与压头之间涂黄油以减小端部效应对力学性质的影响。
需要说明的是，为防止黄油影响岩石力学性质，试样与薄膜间不凃黄油。
图1还示出了声发射测试系统、方形花岗岩试样、声发射探头3以及它们之间的位置关系。
步骤三、在设置于试验机上的岩石试样上布置多个声发射探头。
具体地，本步骤中根据声发射定位原理设计探头的分布位置，使探头形成空间四面体结构且保持非对称分布。
具体地，如图1所示，在立方体试样的3个侧面布置8个声发射探头(图1中圆形区域即为声发射探头的分布位置)。这8个声发射探头形成空间四面体结构且保持非对称分布。
需要说明的是，为了对一个声发射事件进行定位，必须有四个以上的探头同时检测到该声发射事件。
具体地，安装声发射探头及设置声发射测试系统的工作参数：
参见图1，在岩样表面粘贴声发射探头。由于声发射定位算法主要根据弹性波到达探头的时间差来计算声发射事件的各参数，故探头布置方式需要尽可能地形成非对称的空间四面体。
声发射探头选用nano30。
采集过程中，声发射测试系统的主要参数设置为：门槛值40db，采集频率10mhz；模拟滤波器下限为100khz、上限为3mhz；采集点数5k；前置放大器的增益为40db。
步骤四、控制试验机对岩石试样按照设定的载荷谱施加载荷并控制与该多个声发射探头连接的声发射测试系统同步地采集声发射数据。
本步骤中，根据岩石的力学性质与期望的声发射发生情况选择合适的加载速率与最大载荷，并利用试验机控制系统与声发射测试系统之间的信号激励或共用的启动指令实现应力施加与声发射采集保持同步性。
具体实施时，可以查阅公开的岩石声发射实验文献，确定目标试样的声发射活性。并根据岩石的力学性质，预先设定适当的载荷谱，以保证在应力施加过程(加卸载)中，岩石试样产生足够多的声发射事件。
加载过程中试验机采用载荷控制工作模式，加载速率为1.5kn/s，加载至100mpa。加载开始时，同步开始声发射数据采集。试验机工作结束后，声发射数据采集同步停止。
步骤五、对试验过程中获取的声发射实验数据进行整理与分析。
加卸载过程中，岩石内部多处产生微破裂；这些微破裂生成的声发射信号被声发射探头探测并被声发射测试系统记录。
利用声发射定位算法，从采集的声发射数据中提取出全部的声发射事件及发生位置处的位置坐标，图2中的圆球示出的是图1中的岩石试样加卸载过程中生产的微破碎源。
进一步地，将实验所采集的声发射数据在布龙模型下进行波形分析，利用监测到的声发射事件来确定岩石内部各处微破裂产生的地震矩、地震能量等参数。
需要说明的是，应用布龙模型进行波形分析时，通常在岩石破裂位置很小的区域范围内忽略非弹性衰减。
具体地，对声发射探头监测到的在位置w处的声发射数据的处理步骤如下：
声发射信号d(t)进行快速傅里叶变换，得到声发射位移谱d(f)；对声发射信号d(t)进行微分，得到声发射速度信号v(t)；对声发射声速度信号v(t)进行快速傅里叶变换，得到声发射速度谱v(f)。
如式(1)所示，对声发射速度谱v(f)进行平方并在频率域内进行积分得到速度功率谱sv：
如式(2)所示，对声发射位移谱d(f)进行平方并在频率域内进行积分得到位移功率谱sd：
如式(3)所示，根据速度功率谱sv，确定岩石破裂位置处以弹性波形式辐射的能量，也即地震辐射能量es：
es＝4πρdβsv(3)；
其中，β为岩样中s波的波速，这是因为，在岩石微破裂所辐射的能量中，能量主要集中在s波中；ρ为介质密度，也即岩石试样的密度；d为声发射探头距离该声发射事件的距离。
如式(4)所示，根据速度功率谱sv、位移功率谱sd，确定零频极限值ω0：
ω02＝4sd3/2sv-1/2(4)，
如式(5)所示，确定岩石破裂位置处以弹性波形式辐射的能量的大小，即地震矩m0：
如式(6)所示，根据地震矩m0、地震辐射能量es，确定岩石微破裂处的视应力σapp：
其中，μ为岩石破裂位置处的剪切模量，也即岩石的剪切模量。
通常，每一个声发射事件均会被至少4个声发射探头接收到；而根据每个探头接收到的该声发射信号，均可以独立地计算出一个该声发射事件的地震矩m0和地震辐射能量es。
为避免个别探头信号异常引起的误差，对检测到同一个声发射事件的n个声发射探头检测到的n组声发射数据，可以进行多传感器信息融合。
具体地，如式(7)所示，对分别根据n组声发射数据确定的地震矩m0、地震辐射能量es或岩石微破裂处的视应力σapp进行平均：
其中：xi为根据第i个声发射探头检测到的数据确定的地震矩m0、地震辐射能量es或岩石微破裂处的视应力σapp。
随后，将得到的各参数数据在进行可视化处理，即可生成与预先设定位置坐标的剖面相对应的视应力场的云图。
根据微破碎处的应力插值得到临近点的应力具体方式如图9所示：
采用球面网格化：三维球面网格函数使用了一个事件的视体积半径(avr)来分配事件到一个或多个网格点。视体积半径定义了受岩石破裂事件影响的岩石体积。距离微破裂源越远的岩石受事件的影响越小。
不同类型的锥形函数被用来描述这种影响的衰减。例如，在一个锥形函数中，这种影响被描述在事件的中心认为是最大值1到视体积的半径为0。
利用matlab对声发射采集到的岩石内部微破裂信号进行分析，得到声发射事件的位置、地震矩、地震能量等关键参数。进一步地，将声发射事件的位置、地震矩、地震能量等关键参数导入到jdi软件中，则可以对任一指定的剖面进行应力场云图显示。
具体地，图4-图8依次示出了与图3中0-1、0-2、0-3、0-4、0-5这5个相平行的剖面上的视应力场云图。
根据图4-图8的视应力云图可以直观地得到以下结论：即使是在室内单轴压缩过程中由于岩石的不均质性，岩石内部不同位置的视应力并不相同。通过以上方法有助于在室内岩石力学实验中了解在应力状态下岩石内部情况。
本发明实施例在实验室声发射实验中通过波形分析，获得岩石在不同应力状态下岩石内部视应力场分布状态，弥补了岩石力学实验方法主要集中在表面测试与无法进行可视化处理的不足，为室内岩石力学实验提供了一种了解岩石内部应力状态的方法。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明领域进行了详细的说明，本邻域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。