加载方向对岩石Kaiser效应的影响研究

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由于采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路等工程需要,如何准确的测定地应力一直以来都是一个重要的课题。利用岩石的Kaiser效应测定地应力的声发射方法,因为其经济、便捷,发展潜力备受关注。但在利用Kaiser效应测定地应力的实践中,很多问题一直都没得到较好解决,阻碍了该方法的推广。其中较为突出的问题就是关于加载方向变化对Kaiser效应的影响,比如,因围压引起的大主应力的方向变化、因取样偏差引起的测量误差、随着工程进行引起地应力场的改变等都涉及到加载方向变化对Kaiser效应的影响。最主要的是Kaiser效应方向独立性问题,将直接影响Kaiser效应测定地应力可信度。所以,加载方向对Kaiser效应影响的研究有待进一步深入。本文所作主要工作和基本结论如下:①岩石Kaiser点的判断方法研究由于目前Kaiser点的判断方法上大多都只是从主观上进行判断,对于可以量化的Kaiser点判断方法研究不深,而这些方法在实际应用中也没有发挥其应有的作用。本文首先对Kaiser点的判断方法进行了较为全面的归纳整理,对这些方法的原理作了较为详细的介绍,对各自的优缺点进行了对比,对一些细节处理问题给出了使用过程中的经验建议,并对各种方法实现的进行了Matlab编程;同时对不同特征参数和不同应力水平下的Kaiser效应点的清晰程度进行了对比。研究发现:1)从不同特征参数的角度,Kaiser点的清晰程度依次为累计AE能量曲线>累计AE振铃曲线>累计AE事件数曲线,虽然累计AE能量曲线更为清晰,但同时可能带来不必要干扰点,建议采用累计振铃曲线;2)就不同应力水平而言,结果显示:超过一定应力水平后Kaiser点清晰程度随应力水平增加而减弱。②理论分析基于Kaiser效应是由于裂纹发展这个假定,从断裂力学的角度,对加载方向对Kaiser效应影响进行了尝试性分析和思考。对无限二维空间中远场拉应力和压应力下穿透型裂纹以及三维空间中圆形裂纹在应力方向与裂纹成不同角度时裂纹发展的临界应力变化规律进行了研究。分析发现:1)单一方向的同一类型裂纹,其偏转一定角度后的Kaiser效应,具有唯一对应性,仅与偏转角度有关,但其所记忆荷载并非该方向正应力;2)对于具有多方向或多类型裂纹的情况,Kaiser效应明显程度将减弱。3)远场拉应力下空间圆盘裂纹分析得到的Kaiser效应变化规律与本文试验结果几近一致。③试验研究采用劈裂试验,对圆盘形砂岩和少量凝灰岩试件第一方向进行加载后,偏转一定角度再次进行加载,对劈裂条件下再次加载偏转5°、15°、30°、45°、60°和90°的Kaiser效应进行了研究;同时,针对目前一般试验方法存在的诸多不足,本文制作了正十二边形、正八边形、正六边形、正方形等多组多边形试件,通过对多边形试件相邻边分次加载的方式,对单轴压缩条件下加载方向偏转30°、45°、60°和90°的Kaiser效应进行了研究。研究发现:1)偏转一定角度后,第二加载方向的声发射特征对第一方向加载历史具有记忆性;且该记忆性在偏转0°到60°的较大幅度范围内都存在;2)随着偏转角度的增大,Kaiser点的清晰程度减弱,达到90°时,几乎看不到任何有对第一方向存在记忆性的痕迹;3)偏转不同角度第二方向所记忆荷载与第一方向所加最大荷载的比值,趋于离散,不具有明显唯一对应性。且随偏转角度变化,该比值并不单调增或减。
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