[发明专利]一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法

权利要求书

1.一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法，其特征在于：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；

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Δε_p＝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；

步骤三具体为：

(1)、以轴向应变ε_axial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；ε_axial、ε_lateral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，直线段参考范围为20％～40％，弹性模量E＝Δσ/Δε_axial，即应力应变曲线的斜率；泊松比ν＝Δε_lateral/Δε_axial；

(4)、通过下式计算弹性体积应变ε_ve：

(5)、裂隙体积应变由总体积应变减去弹性体积应变得到，即

ε_vc＝ε_v-ε_ve                      (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σ_ci和裂纹破坏应力σ_cd；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σ_cd；

步骤四、对声波数据进行修正；

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-ε_t)；V_P＝V_P′×(1-ε_t)                 (4)

式中：L₀为试样原始长度，L₁为修正后试样长度，ε_t为某一时刻试样的轴向应变，V_P′为试样原始波速，V_P为修正后试样波速；

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：V_pc、V_pi、V_pd；

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V_pc，斜率再由急到缓的第二个声波转折点为V_pi；最后声波峰值点为V_pd；定义这三个点为波速特征值；

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

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σ_vpc、σ_vpi、σ_vpd；

(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；

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”：σ_vpc、σ_vpi基本上等于“应力门槛值”σ_cc、σ_ci，且误差较小；而σ_vpd和σ_cd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，σ_vpd对应的应力值等于裂纹扩展应力σf₁，在试样内裂缝发育饱和试样压缩进入了残余变形阶段后，σ_vpd等于峰值应力σf₂。