AE法测量岩石记忆应力机理的初步探讨.pdf

现代力学测试技术 a e 法测量岩石记忆应力机理的初步探讨 丁原辰徐和聆邵兆刚任希飞 ( 中田地质科学院地质力学研究所，北京i 0 0 0 8 j 】 提要本文探讨了岩石声发射( e ) 的凯瑟效应、抹录不净现象和广义抹录不净现象机理笔 者提出袭剃凯瑟效应( 又称视凯瑟效盘) 的概念指出凯瑟效应对应岩石经受过的历史璇高应力 状态记忆，相应于岩石内部微裂纹的新生或扩展；而表观凯瑟效应对应于较低的承受应力状态记忆， 相应于原有微裂纹内表面残余剪位移的摩擦滑动抹录不净现象相应于尚未消失的残余掳位移广 义抹录不净现棼源于微裂纹内表面联镄段联锁由松到紧的临界点和联镄段与微破裂段的临界点并 就上述效应和现蒙的时问效应以及皆无明显方向性的原因进行r 探讨 关键词声发射，凯瑟敲，地应力，古应力，尬， 一、前言 g o o d m a n i 1 证实岩石也存在声发射凯瑟效应( k a i s e re 骶c t ) 。k a l l a g a w a i 提出：凯瑟 效应对应岩石经受的最商历史应力状态；凯瑟效应有方向性，即声发射累积数与外加压廊 力响应曲线( 以下简称响应曲线) 上，第一个斜率陡增点相应于岩石取样方向的正应力。 m i c h i l l i r o 【3 否定岩石凯瑟效应对应岩石经受的历史蜃高应力，认为是对应于引起岩彳i 饱和 残余应变的应力；若干学者例如h a r d q ，证实觊瑟效应不存在明显的方向性，由此可 见，对于凯瑟效应的认识存在争议。 丁原辰等人【，】发现了岩，仃声发射抹录不净现象。继后。丁原辰【q 又提出r 义抹录不净 现象的概念：“岩石能记忆曾经k 捌例如以地质年代为时间尺度，承受过的相对稳定不 变的应力，即不管该应力是历史母高应力还是在历史最高应力施加前或施加后承受的某 历史较低应力，只要该应力持续时问足够跃而引起岩石饱和残余应变，那么，在特定技术 条件下，当对岩石重复施加二次、三次、甚至多次单调增加的外加压应力一县超过该应力 时每次相应于该应力的声发射信号都会有相对明显增多表现在声发射累积数与外加压 应力响应曲线上，也有与该应力相应的斜率陡增点”。上述这两种现象的机理以下也将予 以探讨。 二、凯瑟效应的机理 1 豫葡酥淳蕊飘弼丽酽丽丽丽万一一 - s 4 5 銎垡垄兰型堕垫查 - - - + _ _ _ 。h - _ - - _ - _ _ r 。- h + - _ 。_ _ - _ _ 。_ 1 。一 2i 新生裂纹论 通常认为：单调增加的步 加应力达到并超过先前施加的最大应力时，一方面岩石新的微裂 纹出现，另一方面岩石内部微裂纹发生摩擦滑动，使得先存应力处声发射活动激增而显示 凯瑟效应 2 _ 2 残余剪位移论 小岛隆和松木浩二【，i 指出。尚未引起岩石内部微裂纹新生和扩展的低先存应力在施 加压缩载荷时也会在该应力处出现凯瑟效应对此，他们给出了如下的解释： 在裂纹面上，细观地看，有太小不同的各种突起随羞应力的增加，由于大突起相对 面强烈摩擦滑动，在其面上微小突起进一步破坏而发生声发射卸载时发生逆向滑动。仅 突起以外，易滑动的部分恢复位移因而，完全卸除外部应力后还残留沿裂纹的剪切位穆， 在闭台裂纹两端交得不完全闭锁。这种状态下，若重新加载到前次最丈应力之前，大的突 起不活动，此时的声发射话动性显著交低。可是，如果将应力加火到超过前次的最大值， 火的突起再次滑动。出现凯瑟效应。另一方面。卸载后随着时间的推移。残留的裂纹上的 压缩麻力引起依存时间的裂纹开口，这样以来，因为残留压应力也松弛，在大的突起附近 也会滑动，沿闭合裂纹的残余剪位移消失因此，经过长时间后，蒋加载时声发射再度从 近于零的低应力处开始活跃。 2 3 表观凯瑟效应概念的引出 _ 】原j 受l 提出凡求引起新生裂纹的低应力水平的某先存应力，_ 在单调增加的单轴载荷 f 出现于该应力处的凯瑟效应称之为“表观凯瑟效应”或称“视凯瑟效应”。只有在单调 增加的外加压应力超过先存应力而引起裂纹新生或扩腠，导致相应于该先存应力处开始出 现强烈活动的声发射信号，这种现象称为凯瑟效应。因此凯瑟效应对应于岩石经受的历 史最高应力状态：而表观凯瑟效应对应于曾出现残余剪位移的应力状态。m c h h j r o 3 】所谓 的凯瑟效应对应于饱和残余应变的应力，就是对应于引起饱和残余剪位移的应力。其实就 是指袁观凯瑟效应丽言。引入袁观凯瑟效应这概念可以统一前述两种观点。 三、凯瑟效应方向性 3 1 凯瑟效应无明显方向性 为了弄清凯瑟效应方向性存在与否的机理，进行了f 列实验。作者取一个面抛光后镀 金的3 0 日o x 6 0m m 大理岩试样n o 1 。将试样沿长轴方向施加压应力1 3 6 7 m p a 。该压应力相当 于单轴抗压强度的百分比为5 t 】3 6 7 ，1 5 8 = 8 6 6 ，反复压了多次在4 0 0 倍光学显微镜下观察 裂纹。裂纹的显微镜观测范围如图i 所示镀金面的斜线区域。共计观涮了i o 个点。裂纹方向 统计如图2 所示。与加载方向夹角o ( 绝对值) 成4 5 。以内的裂纹占裂纹总数7 6 。6 ，其中咿f 3 0 。 青西7 4 ，咿f 超i 拟5 。夹角的裂纹占裂纹j 幽勃4 裂纹方向在范围6 0 。l 口i 9 0 。的夹角占 】5 而后加载方向改为短轴方向，压至 5 5 舯胛乱响应曲线上也可羽4 得1 3 7 2 珏，a 的记忆应力 5 4 6 鞠翻澜溺渊溺镧溯婀硼溺。=麓 -；_+囊_+j。一_n斓 现代力学测试技；尜 髓l 在i 试种镀盘耐 上穗测裂纹的范田 7 0 0 6 0 0 z 鑫5 0 0 磷4 0 0 譬3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 ： 毒： 碟2 ： 上- 。；一。 “j 一一 - ； 1_ o1 02 0 3 04 05 06 07 08 09 0 角度，度 两2 与加找方向成不同舞加( 绝对仇) 裂纹缸境； ( 以5 为艰位， 外加压应力m p a 阳3 勃l 向压l 辘7 8 后横向压l 溉9 盼a 试掸陌) l 的 e 响应曲缱 ( 图3 所示曲线上“o ”标出者) ，与实际先存应力1 3 6 7 m p a 的相对误差仅为o 3 7 。这是 因为在这样高韵外加压应力作用下岩石内部裂纹发生扩展当外加压应力超过1 3 6 7 m p a 先存应力时，原有裂纹包括与横向近于垂直的裂纹皆扩展，而且扩展转向加载方向图4 - 给出照片素描图，由此圈可见原来与试样长轴方向成2 5 0 夹角的裂纹，尽管与横向加载方 。 向成6 5 嚷角，仍能在外加应力超过先存应力时引起扩展而出现凯瑟效应。这就是引起裂 纹新生和扩展的最大主应力值任何方向取样皆可l 狈4 得的原故从这个意义上说，凯瑟效应 j 云方向性 ： 7 i一 斓 耀 一_础“江一一 现代力学测试技术 o q d 3 一 露4照片求描蹬 a 锹向压至l 3 & 7 竹n 卸载后裂纹现侧图 h 再横向医至l 辅嗽卸玻后裂纹再b 铡髑 宵 年石：6 e 镳金方解石：箭头示拥我方向：轻再线条示裂纹 对于岩石先存应力为三维状态的，其凯瑟效应方向性问题，文献( 8 】指出：对陶瓷圆 柱施加模拟保压。然后从与瓷桂轴向成3 3 0 穷；处取小试样，由该试样可测得最高应力状态 的最小主应力( 品压) 、最夫主应力( 轴压) 和取样方向的正应力。对这一现象其机理 试解释如下： 由于模拟保压已引起陶瓷圆柱出现肉眼可见的明显裂纹( 势破裂) ，围压相当于引起 剪破裂的轴压应力( 1 1 5 o m p a ) 的8 2 6 ，已进入裂纹稳定扩展阶段。材料内部新裂纹的 产生和原有裂纹的扩展只有超过其原来所受应力水平的条件下才可能出现。只要不超过原 来预加的最小主应力值，小试样内任意一点的实际应力都比曾引起裂纹新生或扩展的原来 ( 在三轴预加载时) 所受的应力低，困而就不会有新的裂纹产生或原有裂纹扩展。于是在 外加压应力未达到此应力之前没有明显的声发射活动，a e 响应曲线上在此应力之前无明 显的陡增。已如前述，当外加压应力超过此最小主应力时，b 口使与加载方向近垂直的方向 上也会引起裂纹扩展或新生，圆而从任方向上取样部可测得s f 起裂纹新生或扩展的三维应 力状态的是小主应力。然而在此高应力状态下，取样方向上的正廊力在响应曲线上也有所 显示。究其原冈是裂纹扩展以张性为主p l 。而外加压应力达到取样方向上的正戍力时，j 9 | j 些近r 加载方向的裂纹较其他万向易下张性扩展，而显示相对强烈的a e 活动。从而使得 在响应曲线上出现对应于该止应力的斜率陡增点叉显示凯瑟效应有定方向性。当外加 ，k 戍力进一步增大达鼹大主席力值( 火瓷柱轴压) 时，所有先存裂纹全面强烈地扩展井伴 有新裂纹产生，显示出声发射活动激增，响应曲线上义出现了相应的陡增点。于是，任方 向上取样都可测得引起裂纹新生或扩展的三维应力状态的最大主应力。由此可见认为凯 瑟效应无明显方向性比较确切。 3 ，2 表观凯瑟效应无方向性 前已有述，表观凯瑟效应源于试样裂纹内表面的残余剪位移。由于8 0 以上的岩石裂 纹是晶粒问的，即绕品粒展布m l ( 当然这不是指高应力水平引起裂纹扩最而言) 。因而裂 纹无明显方向性，于是就使得裂纹内表面的残余剪位移也无方向性可言故表观凯瑟效应 无方向性。然丽，不能排除这种可能，当某一铡量地点岩石内部裂纹方向有统计上的规律 性时，残余剪位移也有统计上的方向性。于是导致表观凯瑟效应会对取样方向的正应力 有所反映。而显示一定的方向性 5 4 8 ：ph蛰f#；、一：；hi=lr“ii 现代力学澳9 试技术 四、凯瑟效应和表观凯瑟效应的时问效应 所谓凯瑟效应的时间效应，指岩石经受过先存应力的停止时间与取其试样作泓4 试时的 间隔时问，对凯瑟效应显示的影晌由：f 凯瑟效应对应于超过先存应力后新裂纹出现或原 有裂纹扩展。因而。原理上不存在时间效应。但如果岩石原有裂纹被充填则另当别论 残余剪位移随着时间的推移将消失，于是使表观凯瑟效应有时间效应但是。如果 先存应力保持时间足够长，例如地质上古构造应力作用时间常以百万年计，则残余剪位 移几乎不存在消失的问题，其相应的表观凯瑟散应不存在时问效应 五、抹录不净现象的机理 抹录不净现象可细分为相应于凯瑟效应者和相应于表观凯瑟效应者对于前者的机理 试分析如下： 由于凯瑟效应显示于新裂纹出现处或原有裂纹扩展处，裂纹内表面粗糙程度大，肖复 压( 特定技术条件下重新加载) 时达到和超过此出现过凯瑟效应的先存成力时。这些租糙 程度大的裂纹内表面摩擦滑动产生声发射信号显著增多，出现抹录不净现象。而表观凯瑟 效应由于复压时残余剪位移尚来完全消失，故原显示表观凯瑟效应的相应应力处，仍有 响应曲线上的斜率陡增点。一般说来先存应力如果保持时间短，当第三次加载时残余剪 位移趋于消失而不搏有抹录不净现魏显示。 正如前述表观凯瑟效应无明显方向性一样，其相应抹录不挣现象所显示的应力记忆也 无明显方向性二者机理基本一致。而对应于凯瑟效应的抹录不净现象，同样无明显方向 性。其机理试分析如下。 文献 8 l 所述陶瓷圆柱，曾承受过赢应力水平的三维应力状态对该圆柱任方向所取 试样作初压、复压测试，由二f 初压压到一旦超过最小主应力和取样方向的正应力时，所导 致的相应裂纹活动，分别以裂纹新生和扩展为主复压时因压至最小主应力使初压产生的 裂纹开始出现新的摩擦滑动，在响应曲线上相应的抹录不净信号就会有所出现，导致叉一 次显示对最小主应力的记忆。复压压到取样方向的正应力时，原来在初压时相应扩展的裂 纹，由初压卸载后的闭合而变为复压时的张开，敲无明显抹录不狰信号出现而虽大主庶 力值则不然，初压时最大主应力处产生裂纹扩展和新生裂纹的分布面广且裂纹内表面租糙 程度大，复压时因裂纹内表面较强的摩擦滑动，仍能由明显的抹录不净现象而显示对最 大主应力的记忆。 六、广义抹录不净现象的机理 卅加压盘力 t p l 一裂纹自由表面艘：卜碰锚理： ：k 微破裂段：旺临辨点蹦b 试辑抖敬j m 我所猁喇应曲线 蹦5 裂纹结扣q ：老蹦 表1n o0 1 试样经三；欠加载。各次测得的各古应力值 序次序峙刹位l ( 砒p a )测位2 ( m p a )捌值3 哺p a )终值( m p a ) 姚曦i3 6 i6 568 0 61 0 0 复压 24 0 66 6 17 89 l o o i i 丘33 9 。4 6 8 68 l l71 0 0 平均3 8 76 6 88 04 七、结束语 声发射法岩石记忆应力测量的可操作性，已有较充分的实验依据，然而对其机理的 认识尚不够深入上述讨论只能看作初步探讨，特别是广义抹录不净现象机理的讨论属r 推测性的，有待更深入的实验验证和理论分析。 5 5 0 f；!；ilhhl； ah#*。i； 现代力学测试技术 参考文献 n 】g 。o d i a n ，艮e ，s u b a u d i b l en c i s ed u r i n gc 椰p r e s s i o no fr o c k g e 。1 。g i c a ls o c i e t yo f 玎】e r i c a b u l l e t i n 1 9 6 3 ：l ( 7 4 ) ：4 8 7 4 9 0 2 k a n a 9 8 他，t h a y a s h i m a n dn a l ( a s a ，h 。e s t i n n t i o no fs p a t i a lg e o s t r e s sc 加p o n e n ti nr o c k s p l e su s i n gt h el ( a i s e re f f e c to fa c o u s t i ce m i s s i o n p r o c j a p a n s o c c i v i le 兀g ，1 9 7 7 ： 2 5 8 ：6 3 7 5 3 h i c h i h i r o ，k f u j i w a r a ，t a n dy o s h i o k a 。“。s t u d y0 ne s t i 吐t i n gg e o s t r e s sb yt h ek a i s e r e f f e c to f e ，2 6 t hu ss y m p o s i u m r o c k m e c h a n i c s r 印i dc i ty rs d 2 6 2 8 j u n e 1 9 8 5 ：5 5 7 一s 6 4 “】h ”d n lr j r 。z h a ng | d a n dz e l 朝k 。，j c 。r e c e n ts t u d yo ft