[发明专利]一种基于矩张量分析的岩石起裂应力与损伤应力辨识方法

说明书

本发明公开了一种基于矩张量分析的岩石起裂应力与损伤应力辨识方法，涉及岩石物理力学性质测试技术领域，以声发射震源定位为基础，通过采用矩张量分析方法，将声发射震源分为剪切、张拉与混合三种类型震源。在此基础上，以岩石微裂纹压密阶段之后的震源为分析对象，研发了基于不同类型震源数快速增长起点对应应力的起裂应力σ_ci与损伤应力σ_cd辨识方法。该方法不仅克服了传统声发射测量岩石起裂应力与损伤应力，存在辨识结果受声发射采集参数设置等人为影响，而且建立了起裂应力、损伤应力与岩石破坏过程中微裂纹类型之间的联系，具有物理意义明确的特征，是基于声发射测量岩石起裂应力方法的有效补充。

技术领域

本发明涉及岩石物理力学性质测试技术领域，特别涉及一种基于矩张量分析的岩石起裂应力与损伤应力辨识方法。

背景技术

岩石破坏过程中，在细观尺度上微裂纹先后经历了压密、萌生、成核与扩展、贯通等阶段。起裂应力σ_ci是裂纹稳定扩展的起始点，其数值约为岩石峰值应力σ_c的40％～70％。损伤应力σ_cd是裂纹非稳定扩展的起始点，其数值约为岩石峰值应力σ_c的70％～90％。当外界荷载小于起裂应力σ_ci时，岩石内部原生微裂纹将随着荷载的增大而逐步被压密。当外界荷载等于、大于起裂应力σ_ci但小于损伤应力σ_cd时，此时外部荷载已具备促使岩石产生新裂纹的能力，即随着外部荷载的增大新生微裂纹将持续萌生。在此过程中，微裂纹处于稳定发展之中，新生微裂纹可能以剪切裂纹为主，也可能以张拉裂纹为主，也可能以混合裂纹主。当外界荷载等于、大于损伤应力σ_cd时，此时微裂纹进入非稳定状态。即使外部荷载大小保持不变，不同类型的微裂纹将自行萌生、成核与扩展、贯通，并最终导致岩石破坏。因此，精确辨识岩石起裂应力σ_ci与损伤应力σ_cd对研究岩石力学性能劣化与破坏细观机理具有重要的意义。

岩石在破坏过程中由于微裂纹的萌生、扩展、贯通等而向四周辐射弹性波的现象称为岩石声发射。因此，岩石声发射震源活动与微裂纹演化密切相关。目前，岩石起裂应力σ_ci与损伤应力σ_cd辨识主要有两类。第一类根据岩石应力-应变曲线，结合岩石弹性模量、泊松比等通过积应变法求得。第二类通过对岩石破坏过程进行声发射监测，而后通过累计声发射参数-时间曲线，如累计声发射事件数、累计振铃计数与累计能量等来确定岩石起裂应力σ_ci与损伤应力σ_cd。尽管体积应变法计算起裂应力、损伤应力物理意义明确，计算结果较准确，但相关计算相对复杂，考虑到工程实用性，通过声发射技术对起裂应力进行辨识更具有实用价值。

而在现有技术中，由于声发射事件、振铃计数等声发射参数数值大小与声发射采集时参数设置的密切相关。例如，门槛电压值越大所得声发射事件数越小。反之，门槛电压值越小所得声发射事件数越大。另外，即使声发射采集时参数设置相同，各声发射参数的变化规律也不尽相同。因此，辨识结果受声发射采集参数设置与选取待分析的声发射参数类型等人为因素的影响。同时，在岩石破坏过程中微裂纹的萌生或起裂可能主要是剪切裂纹(也可称为剪切震源)或张拉裂纹(也可称张拉震源)或混合裂纹(也可称混合震源)引起。然而，声发射参数如声发射事件数、声发射振铃计数等无法建立与微裂纹类型或震源类型的关系。因此，第二类方法未充分考虑岩石微裂纹萌生或起裂时对应的微裂纹类型或震源类型，存在物理意义模糊所得辨识结果与实际不符的情况。