巖石應(yīng)力記憶特性的聲發(fā)射試驗(yàn)及理論研究.pdf

1、原地應(yīng)力測量越來越受到地學(xué)界和工程界的重視，因?yàn)樗侨藗兞私獾貧r石中應(yīng)力狀態(tài)最為直接的手段。凱塞效應(yīng)（Kaiser Effect）測地應(yīng)力方法因測試成本低、難度小，在國內(nèi)外普遍受到重視。但是有關(guān) Kaiser效應(yīng)機(jī)理及其影響因素的一些問題尚未弄清，例如 Kaiser效應(yīng)的方向性、應(yīng)力水平、濕度、溫度、加工應(yīng)力等因素對凱塞效應(yīng)的影響等，特別重要的是巖石試樣脫離巖體后，其對應(yīng)力的記憶性是否隨時間推移而削弱或消失對試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。

2、從巖石脫離巖體至最終加工成型再進(jìn)行加載試驗(yàn)總是有一定的時間間隔，如果在這一時間間隔內(nèi)巖對應(yīng)力的記憶不準(zhǔn)確或消失，試驗(yàn)結(jié)果將失去意義。縱觀現(xiàn)有的研究成果，巖石對先期應(yīng)力的記憶準(zhǔn)確性是否受時間因素影響并無定論，而且均為試驗(yàn)結(jié)論，缺少相應(yīng)的理論解釋。
　　本文以砂巖為研究對象，利用WAW-1000型電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)和PCI-2全數(shù)字化聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)對軸心受壓、三點(diǎn)彎曲和圓盤劈裂試驗(yàn)條件下的聲發(fā)射特性和信號時頻特征進(jìn)行了較為深入的研究

3、，主要研究內(nèi)容如下：
　?、佾@得了砂巖單軸壓縮、三點(diǎn)彎曲和圓盤劈裂試驗(yàn)下的Kaiser效應(yīng)時間延遲變化規(guī)律。得出了砂巖單軸壓縮試驗(yàn) Kaiser效應(yīng)存在時間延遲，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)Kaiser效應(yīng)不存在時間延遲，圓盤劈裂試驗(yàn) Kaiser效應(yīng)是否存在時間延遲并不明確的結(jié)論。并擬合出費(fèi)利西蒂比（Filicity Ratio，F(xiàn)R）與延遲時間的對應(yīng)公式，對砂巖應(yīng)力記憶規(guī)律進(jìn)行了量化分析。同時還給出了相應(yīng)的物理降噪方法。
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4、細(xì)比試件的單軸壓縮試驗(yàn)，得出圓柱體試件長細(xì)比在2.5以內(nèi)的Kaiser效應(yīng)比長細(xì)比大于2.5明顯的結(jié)論。對浸水后試件的單軸壓縮試驗(yàn)，得出Kaiser效應(yīng)試件浸水后將不能準(zhǔn)確反應(yīng)先期最大應(yīng)力（拐點(diǎn)明顯）的結(jié)論，Kaiser效應(yīng)與試件的含水率有一定的聯(lián)系。對花崗巖的單軸壓縮試驗(yàn)，得出花崗巖的Kaiser效應(yīng)不受時間延遲影響的結(jié)論。
　?、凵皫r單軸壓縮、三點(diǎn)彎曲和圓盤劈裂試驗(yàn)的三種試驗(yàn)方式，獲得的應(yīng)變曲線與聲發(fā)射累計振鈴數(shù)曲線的變化有明

5、顯對應(yīng)關(guān)系，表明聲發(fā)射現(xiàn)象與其裂紋的發(fā)展有關(guān)。循環(huán)加載過程中，砂巖單軸壓縮試驗(yàn)的縱向應(yīng)變豎直段（裂紋壓密階段）和縱向應(yīng)變斜直線段（裂紋的開展）對應(yīng)的聲發(fā)射累計曲線陡增，表明砂巖單軸壓縮試驗(yàn)聲發(fā)射現(xiàn)象與裂紋壓密和裂紋再次開展有對應(yīng)關(guān)系；三點(diǎn)彎曲和圓盤劈裂試驗(yàn)的縱向應(yīng)變曲線上升段（裂紋的開展）對應(yīng)的聲發(fā)射累計曲線陡增，表明三點(diǎn)彎曲和圓盤劈裂試驗(yàn)聲發(fā)射現(xiàn)象與裂紋再次開展有對應(yīng)關(guān)系。
　?、軐β暟l(fā)射試驗(yàn)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時頻分析，建立了聲發(fā)射信

6、號波形的頻譜分布與試件內(nèi)部裂紋變化的對應(yīng)關(guān)系，解釋了砂巖應(yīng)力記憶現(xiàn)象的物理意義。同時編制了運(yùn)用主次頻率差的波形特征搜索方法的Matlab程序，可對Kaiser點(diǎn)進(jìn)行自動判斷，并成功地對單軸壓縮的Kaiser點(diǎn)進(jìn)行了識別。
　?、輳脑鸭y在重復(fù)荷載作用下沿原有路徑開裂難易程度的角度，建立了砂巖單軸壓縮、三點(diǎn)彎曲和圓盤劈裂試驗(yàn)三種試驗(yàn)方式對應(yīng)的二維力學(xué)模型，并對Kaiser效應(yīng)時間延遲問題作了理論解釋，其計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。同時借