基于DRA的应变差—应力曲线转折点辨识可靠性研究

2020-11-30梅志恒张俊思

世界有色金属 2020年18期

梅志恒，石凯，张俊思，毛勇

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉 430074；2.中国五环工程有限公司，湖北武汉 430074；3.大冶有色金属有限责任公司丰山铜矿，湖北黄石 435000）

采用DRA法测量时，应变差-应力曲线转折点位置有时难以辨识；不同测量加载循环的DRA曲线转折点位置可能不同。为提高DRA转折点辨识结果的可靠性，K.Yamamoto等[1-3]通常将各应变差-应力曲线转折点分布较集中区间对应的转折点作为DRA转折点；谢强等[4]则结合岩样的声发射特征确定DRA转折点位置。上述研究成果有助于DRA转折点位置的确定，但尚未排除各循环之间应变差-应力曲线DRA转折点位置不同对辨识过程的干扰。为此本文拟从岩石应力记忆的形成机制入手，结合声发射技术开展岩石变形记忆效应的研究，从而确定不同循环应变差曲线DRA转折点与岩石先前所受最大应力σm之间的关系，在此基础上提出了适宜的DRA数据处理方法。

1 实验设备及实验方法

1.1 实验样品

实验样品取自某金属矿山地表垂直勘探钻孔，平均埋深1010m，为新鲜完整大理岩。岩芯取出后用塑料袋密封包装。根据《工程岩体试验方法标准》，将岩芯制备成直径50mm、高100mm的标准试件，精度满足标准要求。实验前对试件的密度(ρ)、抗拉强度(UTS)、抗压强度(UCS)、弹性模量(Es)、泊松比(Vs)、黏聚力(c)和内摩擦角()等基本物理力学参数进行测试，测试结果汇总见表1。

表1 大理岩试件的基本物理力学参数

1.2 实验设备及实验准备

试件加载采用MTS 815电液伺服测试系统。试件的轴向及环向变形采用轴向引伸计和环向引伸计测量。岩样受载过程的声发射现象采用美国物理声学公司的PCI-II型声发射系统监测。4个声发射探头及轴向、环向引伸计依次安装完毕，在岩样端面与压头之间均匀涂抹凡士林，以减少端面摩擦对实验的影响，放置好岩样后即可开始实验[5]。为准确测得实验过程中岩样的应变及声发射参数，引伸计及声发射探头的安装位置应距岩石端面10mm以上，且保证对称安装。

1.3 实验方案

实验分2组进行，每组含3个大理岩试件。第一组开展单轴等幅循环加载实验，第二组开展单轴分级循环加载实验。各组加载循环均为4次。为避免“摩擦型”声发射[6]及时间效应[1]导致的“记忆衰退”对实验结果可能产生的影响，在加载循环之前对岩样实施预加载，预加载循环峰值应力约等于岩石在地壳中对应埋深处的垂向地应力量值。

根据矿区前期地应力测量结果，埋深1010m时垂向应力σm约28MPa。为使岩样达到该应力状态，需施加的轴向力约为55kN。采用DRA法测量时，各测量加载循环的峰值应力应大于岩石在地壳中曾经所受最大应力σm，且该加载应力不应使岩石发生扩容显现。结合大理岩单轴抗压强度和岩石所在埋深处的地应力量值，等幅循环加载中各循环的峰值载荷依次设定为55，85，85，85，85kN；分级循环加载中各循环的峰值载荷依次设定为55，75，95，115，135kN。各循环均以0.1kN/s的速率力控加载，实验过程中同步监测岩样的应力、应变及声发射特征。湿度等其他可能会影响结果的参数均控制不变。

2 实验结果及分析

实验结果表明，2组试验中各样品的变形及声发射特征具有较好的一致性。为获得岩石对应力的记忆机制，选取等幅循环加载中的典型试样T1和分级循环加载中的典型样品T2，对比分析两种加载模式下同一样品各加载循环之间实验现象的差异，揭示并阐述岩石的“变形记忆”机制，进而获得合适的DRA数据处理方法。

试件T1，T2均包含5个加卸载循环，即1个预加载循环和4个测量加载循环。为便于表述，将各循环依次记为C1～C5，第Ci循环和第Cj循环的应变差-应力曲线记为L(j-i)(i＜j)。将实验过程中监测的应力、声发射能量、累计计数及时间等参数绘成图1所示的应力-时间-声发射特征曲线。

声发射与岩样受载过程的变形和破坏密切相关。当岩石内部发生已有微裂纹扩展或产生新裂纹时，声发射能量曲线的振幅与累计计数曲线的斜率会陡然增大。王小琼等[6]认为，当加载应力未超过岩石曾经所受最大应力σm时，岩石内部微结构面之间的摩擦滑动也可能产生低能量声发射。因C1循环的预加载有效抑制了摩擦型声发射的产生，使得试件T1和T2在C2循环加载应力未超过σm时几乎不产生声发射，如图1所示。后续循环中只有当加载应力超过上一循环峰值应力时才出现明显声发射现象，表现出良好的Kaiser效应。

将图1中各测量加载循环刚开始出现声发射现象的时间点作为Kaiser效应点，各Kaiser效应点对应的应力-时间曲线上的纵坐标σKaiser即为岩石记忆的之前循环的峰值加载应力。各σKaiser应力量值汇总见表2。

图1 大理岩试件应力-时间-声发射特征曲线

表2 各试件不同循环Kaiser效应点对应的应力值

2.1 两类非弹性变形

岩石在外力作用下发生弹性和非弹性变形。若外加载荷卸去后该变形能恢复，则其为弹性变形，否则为非弹性变形。为研究非弹性变形对大理岩地应力记忆的影响，将试件T1循环加载过程的应力、应变和声发射数据处理后绘成图2所示曲线。轴向应变-时间曲线各峰、谷值点坐标汇总见表3。根据表3绘制各循环谷值应变-时间曲线，详见图2(b)。图2(c)给出了T1试件C2和C3循环的轴向应变-应力曲线。将同一应力对应的不同循环的轴向应变相减，绘成图4(d)所示轴向应变差-应力曲线。该曲线表征的即是岩样在2个加载循环过程中非弹性变形的变化。

图2 大理岩试件T1的变形和声发射特征

表3 T1试件轴向应变-时间曲线各峰、谷值点坐标

对比分析图3(a)与图3(a)后发现，随着加载进行，应力均匀增加，岩样的轴向应变呈近线性增加。轴向应变-时间曲线中各加载阶段的斜率逐渐降低，说明压密阶段较线弹性阶段和裂纹稳定扩展阶段发生的变形量更大，从而导致岩样早期加载较后期加载更容易发生轴向变形。

由表3可知，C2～C5循环峰值应变均在3.06×10-3左右，表明当各循环峰值加载应力相同时，岩样轴向变形程度相同。而各循环卸荷回弹后的轴向应变随等幅循环加载次数的增多呈逐渐增大趋势（见图2(b)中BD段），说明该过程产生了不可逆的非弹性变形。由于C3～C5循环加载应力未超过C2循环峰值应力，且此阶段只有零星声发射现象产生，可认为该非弹性变形与岩石内部微裂纹的产生或扩展无关，是由于岩石局部单元的损伤所致。本文将其称为I类非弹性变形。而C2循环加载应力超过C1循环峰值应力时产生了大量声发射现象，且C1和C2循环卸荷回弹后的应变差（AB段）较C3～C5循环中两相邻循环卸荷回弹后的应变差（BC段和CD段）大幅增加。可认为该过程产生的非弹性变形除I类非弹性变形外，另一部分是由已有微裂纹的扩展或产生新裂纹所致。本文将与微裂纹产生或扩展有关的非弹性变形称为II类非弹性变形。

2.2 深埋大理岩地应力记忆机制

C2～C5循环为测量加载循环，L（3-2），L（4-2）和L（5-2）应变差-应力曲线在预加载应力量值附近出现明显转折，而L（4-3），L（5-3）及L（5-4）曲线整体无明显转折。基于岩石的2类非弹性变形对该现象进行分析：C3，C4和C5循环加载应力均未超过C2循环峰值应力，此阶段仅产生一定程度的I类非弹性变形。而C2循环加载过程不仅产生I类非弹性变形，当加载应力超过预加载循环峰值应力σm时，微裂纹的产生或扩展会导致大量II类非弹性变形的产生。因此，在加载应力达到σm时，C2循环产生的非弹性变形远大于C3～C5循环产生的非弹性变形，从而导致C3～C5循环与C2循环之间的应变差-应力曲线在σm处出现明显转折。而C3～C5循环中各循环产生的I类非弹性变形程度相当，所以其中任意2个循环之间的应变差-应力曲线均无明显转折。

上述分析表明：岩石内部已有微裂纹的扩展或产生新裂纹导致的II类非弹性变形与岩石地应力记忆的形成密切相关。岩石的地应力记忆是对地应力作用下在岩石内部形成的微裂纹尺寸的记忆。当测量加载应力超过地应力σm时，裂纹尺寸发生改变导致的II类非弹性变形可用于DRA法地应力测量。

然而，L（4-3），L（5-3），L（5-4）等应变差-应力曲线在实际测量过程中也可能出现转折[1]，从而会混淆DRA转折点位置的辨识。因此，适宜的DRA数据处理方法应为：仅采用各后续测量加载循环与首次测量加载循环之间的应变差-应力曲线进行分析。实际测量过程中，L（3-2），L（4-2）和L（5-2）应变差-应力曲线DRA转折点位置及其明显程度不尽相同，可将各DRA曲线测量结果的算术平均值作为该埋深处的地应力量值。