[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

说明书

本发明公开一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法，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，首先将试样安置于微机控制电液伺服岩石三轴剪切流变试验机上，试验时，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、时间间隔、周期等参数，试验时同时收集三轴压缩试验过程中的时间信息和纵波信息。本发明在PC端对声波数据进行处理，获得波速‑应力‑时间变化曲线，将声波数据进一步处理，并通过建立“波速‑应力特征值”σsubgt;vpc/subgt;、σsubgt;vpi/subgt;、σsubgt;vpd/subgt;用以描述岩石的渐进破坏过程。

技术领域

本发明涉及岩体力学技术领域，具体为一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法。

背景技术

岩体失稳一直是矿山、水利及地下工程所面临的重大安全威胁，在岩土工程中，往往会遇到循环加卸载的情况，如洞室的开挖及支护过程、桥墩的基岩、地质构造运动等，因此了解岩石的损伤演化机理和裂纹的拓展规律对于判定当前岩体的损伤状态以及岩石工程的施工安全、灾害预警具有着重要的现实意义。本发明给出了声波和应力联合表征岩石内部损伤演化的方法，为声波探测岩石损伤技术的发展提供了新思路。

在脆性岩石的压缩破坏过程中，破坏并不是一瞬间发生的，而是一个裂纹萌生、发展、贯通并最终整体破坏的过程。脆性岩石的渐进破坏可分为五个阶段：第一阶段为原有裂纹压密阶段，这一阶段岩石原有的裂隙在外力作用下发生闭合，第一阶段结束时对应的应力称为压密应力(crack closure stress,σ_cc)；第二阶段为线弹性变形阶段，在这一阶段里岩石的应应力应变曲线呈现出线性关系，撤去外力后岩体产生的弹性变形可以恢复。岩石的弹性模量和泊松比也可在这一阶段测得；第三阶段为裂纹起裂和稳定扩展阶段，应力应变曲线偏离原来的直线关系，岩石处于破裂损伤阶段，岩石内部微裂纹萌生、拓展，这一阶段开始时对应的应力称为裂纹起裂应力(crack initiation stress,σ_ci)；第四阶段为裂纹破坏和不稳定扩展阶段，岩石开始出现宏观的破坏，裂纹大量发展，贯通。如果加载应力持续大于σ_cd的荷载一定时间后，试样发生最终破坏。该阶段开始时对应的应力称为裂纹破坏应力(crack damage stress,σ_cd)；第五阶段为峰值破坏和峰后阶段，不稳定的裂纹扩展持续到许多微裂纹已经结合的程度，试件已经进入了残余强度阶段。内部结构已经遭到了严重破坏，岩体虽然有一定的承载能力，但内部已经形成了宏观的破裂面，该阶段峰值破坏强度为σ_f。

循环加卸载试验可以更好的观测岩石的渐进破坏以及揭示岩体内部的损伤演化过程，通过人为设置的承载路径，分析岩体受载历史与强度变化特征，从而对岩石的损伤演化定量评价。

声波能直观反映岩石内部裂纹扩展，通常来说，微裂纹的存在，使得岩石中声波的波速降低，因此在压缩过程中岩石试件的破坏是轴向微裂纹产生和扩展的微观反映，是损伤累积的结果。

在岩石试件的加载过程中，压实初期，P波速度增大。当试件达到非线性变形阶段时，由于裂纹的萌生和扩展，纵波速度出现波动，峰值应力后，试样中形成宏观断裂，导致纵波速度迅速下降。

整个变化过程超声波速度同应力变化曲线具有高度的一致性，因此纵波速度的变化可以作为评价岩石内部结构应力状态、变形状态和损伤状态的判定指标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法，解决了背景技术提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于应力与声波变化联合表征岩石渐进破坏的方法，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。

优选的，包括以下几个步骤：