一种基于微观破坏类型分析的精确求解岩石抗拉强度的方法与流程

1.本发明属于岩石力学与岩土工程领域，涉及一种用于精确求解岩石抗拉强度的方法，适用于土木工程、水利水电工程、矿业工程、交通运输工程中遇到的各类岩石的抗拉强度测定。


背景技术：

2.岩石抗拉强度指的是岩石在拉伸载荷作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力。岩石的抗拉强度远小于其抗压强度，是典型的抗压不抗拉的脆性材料。在地下硐室建造、岩质边坡开挖、岩石钻进爆破等工程中，岩石破坏经常起源于拉裂纹的萌生与发展。岩石在拉伸荷载作用下的变形破坏问题一直是岩石力学与岩土工程领域的一个基本科学问题。岩石抗拉强度是非常重要的力学参数，抗拉强度的精确测定对岩石工程设计、施工和维护全寿命过程的稳定评价具有重要的科学意义和工程价值。
3.现有岩石抗拉强度测定的试验包括直接拉伸试验和间接拉伸试验。直接拉伸试验物理意义明确，比较符合岩石承受拉伸荷载的实际情况，并且测试结果相对稳定。因此，直接拉伸试验已经在工程实践中得到了广泛的应用。然而，由于岩石是一种内部结构复杂的天然地质材料，内部含有很多空腔、孔隙等微观结构，导致岩石的微观破坏过程和机理较为复杂。即便岩石在宏观上显示拉伸破坏，但微观上可能也会含有剪切破坏或者混合型破坏。现有的测量岩石抗拉强度的试验方法，包括广泛使用的直接拉伸试验和巴西劈裂试验，都不能实现对岩石试样的纯拉伸加载条件。因此，目前的试验方法中不存在完全的拉伸破坏，从直接拉伸试验直接获取的峰值强度并不能代表岩石的“理想”抗拉强度。
4.为此本发明提出了一种基于微观破坏类型分析的精确求解岩石抗拉强度的方法，该强度可以作为岩石工程的一个保守设计参数。


技术实现要素：

5.针对现有方法的局限性和实际需要，本发明根据岩石破坏的微观破坏成分的统计分析，提供一种精确求解岩石抗拉强度的方法，并建议该强度值作为岩石工程的保守设计参数。
6.为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于微观破坏类型分析的精确求解岩石抗拉强度的方法，该方法基于岩石试样1、岩石力学试验机、力学控制系统、声发射采集系统实现；所述方法包括以下步骤：
8.第一步，制备用于直接拉伸试验的岩石试样1。
9.制备圆柱形岩石试样1，并在岩石试样1的中部横截面位置切割一个环形诱导缝2，这样可以获得更好的直接拉伸试验效果。
10.所述的岩石试样1的高度与直径比为2:1；所述的环形诱导缝2宽度占岩石试样1高度的1％～3％，缝深占岩石试样1直径的4％～8％。
11.第二步，将岩石试样1放置于岩石力学试验机中，岩石试样1的上方和下方均设置
声发射传感器3，其中，声发射传感器3的数量为4个或4个以上，并均匀、对称地固定在圆柱体试样1的表面。所述声反射传感器3与声发射采集系统连接，岩石力学试验机与力学控制系统连接。采用岩石力学试验机对岩石试样进行直接拉伸试验，并进行全过程声发射实时监测：利用力学控制系统采集时间、轴向力；并利用声发射采集系统记录所有声发射信号的波形数据。
12.所述的声发射传感器3需要有宽的频率响应，频率响应范围应至少保证10khz-500khz。
13.第三步，提取声发射信号的主频。采用傅里叶变换对采集的声发射波形进行时域向频域的转换，获取所有声发射信号的主频。
14.第四步，统计声发射信号在不同主频带的能量占比，获得低主频集中带声发射信号的能量占比。
15.室内测试所得的岩石声发射信号主频分布范围广。为了便于统计分析，需要对声发射信号的主频值进行分组统计，每个主频带的宽度为5-15khz。将声发射信号按照主频值分到不同的主频带，进行不同主频带声发射信号的能量统计。横坐标为主频带编号，纵坐标为能量占比，绘制柱状图，可以看出，存在两个明显的主频集中带，根据主频值的高低定义为高主频集中带和低主频集中带。进而统计低主频集中带的声发射信号的能量占比。
16.第五步，获得一组岩石试样1的低主频集中带声发射信号能量占比与其峰值强度之间的统计关系，以低主频集中带声发射信号能量占比为横坐标，峰值强度为纵坐标，绘制散点图，然后进行线性拟合并作出趋势线。
17.所述的一组岩石试样指的是从同一岩芯获取的岩石试样，数量应大于等于3个。每个岩石试样1的峰值强度(σ
max
)为轴向力的最大值(p
max
)除以岩石试样1中部横截面的面积(s)。
[0018][0019][0020]
式中，σ
max
表示峰值强度；p
max
表示轴向力的最大值；s表示中部横截面的面积；d表示岩石试样1直径；l表示环形诱导缝2的深度。
[0021]
第六步，将第五步得到的趋势线向外做延长线与低主频集中带声发射信号能量占比(横坐标)为1(即100％)的垂直线的交点即为此类岩石的抗拉强度。也就是说，当低主频集中带声发射信号能量占比达到100％时，此时所对应的拟合峰值强度为此类岩石的抗拉强度。
[0022]
本发明的有益效果为：所述的求解方法物理意义明确，提高了岩石抗拉强度求解的准确性，该方法求解的直接拉伸强度可以作为岩石工程的一个保守设计参数，可以在水利水电、交通运输、矿产资源开采、地下空间开发等工程领域的岩石力学性质研究中广泛应用。
附图说明
[0023]
图1为本发明提供的岩石直接抗拉强度精确求解方法的流程示意图；
[0024]
图2为岩样直接拉伸试验的示意图；
[0025]
图3为典型的声发射波形及其频谱：(a)为波形图；(b)为频谱图。
[0026]
图4为岩样不同主频带声发射(ae)信号能量占比柱状图。
[0027]
图5为岩石抗拉强度求解示意图。
[0028]
图中：1岩石试样；2环形诱导缝；3声发射传感器；4拉头。
具体实施方式
[0029]
为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图和实施例来对本发明进行详细阐述。
[0030]
如图1所示，一种基于微观破坏成分分析的岩石直接拉伸强度的求解方法，包括以下步骤：
[0031]
(1)现场取样，按照规范制备成高度与直径比为2:1的圆柱体标准岩石试样1，并在岩样1中部横截面位置切割一个环形诱导缝2，制备用于直接拉伸试验的岩样1。本实施例采用的岩石类型为花岗岩，圆柱体岩样高度为100mm，直径为50mm。在岩样中部横截面位置切割一个环形诱导缝，缝宽2mm，缝深3mm。预制诱导缝是为了保证良好的直接拉伸试验效果，如图2所示使用jgn高强度粘胶将岩样1与试验拉头4粘接在一起，并且保证岩样1与两个拉头4始终保持在一条竖直线上。随后将已粘接拉头4的岩石试样1在室内静置一周。
[0032]
(2)采用岩石力学试验机对岩样进行直接拉伸试验，并进行全过程声发射实时监测。本实施例中岩石力学试验机采用mts 815(由美国mts公司生产)。在加载过程中，实时测量并记录轴向力。声发射监测采用pci-2声发射实时三维定位监测系统(由美国声学物理公司(pac)开发)。采用的声发射传感器为micro30高精度传感器，它可以提供宽的频率响应，即使在试验环境存在很大噪音时也能够保证声发射信号的有效采集。将8个micro 30声发射传感器3均匀、对称地固定在圆柱体试样的表面，如图2所示。并在岩样1和声发射传感器3之间涂抹凡士林。利用声发射采集系统实时记录所有声发射信号的波形数据。
[0033]
(3)采用傅里叶变换对采集的声发射波形进行时域向频域的转换。如图3(a)为典型的声发射波形图，图3(b)为其频谱图。提取声发射信号的主频值，如图3(b)中圆点所示。
[0034]
(4)统计声发射信号在不同主频带的能量占比，获得低主频集中带声发射信号的能量占比。为了对声发射信号主频值进行分组统计，本实施例设定的主频带宽度为10khz。由于室内岩石破坏的声发射波形的主频在500khz以内，因此，第1主频带范围为(0,10]khz，第2主频带范围为(10,20]khz，以此类推，第50主频带范围为(490,500]khz。将声发射信号按照主频值分到不同的主频带，进行不同主频带声发射信号的能量统计。获得不同主频带声发射信号的能量占比，如图4所示。显然，声发射信号分布在两个主频集中带，我们将之命名为低主频集中带和高主频集中带。获得低主频集中带声发射信号的能量占比。
[0035]
(5)获得一组岩石试样1的低主频集中带声发射信号能量占比与峰值强度之间的统计关系，与图5所示。图中的正方形数据点代表这组岩石试样1的试验结果。本实施例的岩石试样1的数量为5个。进行线性拟合作出趋势线。本实施例花岗岩试样的低主频集中带信号能量占比与峰值强度的线性拟合函数为y＝-4.9314x+7.8918。
[0036]
(6)当低主频集中带声发射信号能量占比达到100％时，此时所对应的拟合峰值强度为此类岩石的抗拉强度。本实施例中，将x设定为1，即代表着低主频声发射信号能量占比
达到100％，峰值强度y等于2.96mpa。因此，本实施例的花岗岩的抗拉强度为2.96mpa，如图5圆点所示。
[0037]
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。