利用岩石Kaiser效应对地应力的测试实验
张金航;赵其华;吕韬;罗永;刘玉斌
【摘 要】介绍了利用岩石声发射Kaiser效应测试地应力的原理、方法以及测试技术,根据弹性力学理论推导出岩体测点处地应力方程.按6个特殊方向对所取岩样进行制取,并对岩样进行声发射测试,由此结果计算出单向正应力值和3个主应力的大小及方向.其实验研究结果可为工程提供借鉴和参考. 【期刊名称】《西安科技大学学报》 【年(卷),期】2010(030)002 【总页数】5页(P207-211)
【关键词】Kaiser效应;地应力;声发射;岩石力学 【作 者】张金航;赵其华;吕韬;罗永;刘玉斌
【作者单位】成都理工大学,地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室,四川,成都,610059;大庆钻探工程公司,录井一公司,黑龙江,大庆,163411;成都理工大学,地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室,四川,成都,610059;重庆地堪局南江水文地质工程地质队,重庆,401147;中油长城钻探公司国际钻修分公司,辽宁,盘锦,124010;大庆钻探工程公司,录井一公司,黑龙江,大庆,163411 【正文语种】中 文 【中图分类】TU458.3
西南某水电站地处我国西南部峡谷地区,区域地应力水平高,地形地貌复杂,边坡高陡,引水发电系统地下洞室规模大,布置复杂,地质条件复杂,埋深大,岩体强度相对高,性
脆,边坡与围岩的稳定问题比较突出,需要查明坝区岩体地应力分布特征。在其他现场测试地应力手段的基础上,以室内 Kaiser地应力测试实验结果对其进行补充及验证。
为查明该水电站坝址两岸岸坡地应力分布,现场分别采用水压致裂法和应力解除法进行测试,其中三孔水压致裂法地应力测试 9组,单孔水压致裂法地应力测试 2组,三孔应力解除法测试 3组,单孔应力解除法 2组。这些测试点分布在距岸坡 30～200 m水平深度、埋深 40～278 m的范围内。
利用岩石声发射凯塞尔效应验证该水电站岩体地应力。与传统的应力解除法、水力压裂法相比,该方法具有简单、直观、相对经济等优点,便于大量测试,以寻求区域性地应力变化规律。因此,该方法是一种有一定前途的地应力测量方法[1]。 声发射(Acoustic emission,AE)是材料或结构内部受力作用时发生变形或断裂而快速释放能量而产生的弹性波[2-4]。1950年,Kaiser首先发现金属材料中的声发射具有不可逆现象。材料的这种“记忆”现象被称为 Kaiser效应。1963年,美国岩石力学家 R.E.Goodman、金川忠等[5]在岩石压缩试验中也证实了岩石材料中 Kaiser效应的存在。此后,Kaiser效应就受到研究者的关注,并被广泛应用于测定地应力。
在用 Kaiser效应测定原岩应力时,通常采用的方法是在原始岩芯上取 6个 (或 9个)方向上的试样,然后在实验室里做单轴压缩声发射实验,测得各试样的 Kaiser效应点应力,以此应力值作为岩芯轴向方向上的原岩应力值,最后用弹性力学理论求出岩芯所处环境的原岩应力[6]。
由于地应力本身的离散性以及 Kaiser效应测试地应力的精度,即使同一地点、同一方向,不同试件测得的应力值也不相同。因此对于每个方向需用多个试件进行试验,根据每个试件的声发射特征点确定其荷载值,由试件的受力面积计算应力值。多个试件的平均值即为该方向的应力测试值。然后应用弹性力学理论计算测点处的地应
力大小和方向。
采用下列公式计算每个试件的 Kaiser点应力。
式中 σk为 Kaiser点应力,MPa;Pk为 Kaiser点荷载,kN;F为试件截面积,cm2. 式中 [σ]k为各方向正应力列阵;[σ]为 6个应力分量列阵;[A]为各方向余弦乘积组成的 N×6阶系数矩阵。采用最小二剩法,可从 (2)式中求得最佳应力分量[σ]. 从而求得如下主应力特征方程 解三次方程可得各主应力值
式中 αi为主应力σi与 xoy平面的夹角,即倾角,仰角为正,俯角为负;βi为主应力σi在 xoy面上的投影与x轴的夹角,即方位角,逆时针为正,顺时针为负。 根据上述公式编制成程序,可直接算出主应力及其方向。
考虑到地应力的 Kaiser效应测试取样、制样、测试的复杂性等特点,针对个别部位已有测试成果进行取样、测试和验证,然后在关键部位进行取样、测试。从工程区左岸平硐岩体个别测点中取出 6个点位的岩样,每个取样点的块状岩石在取样时均标出方位。
为了计算空间主应力,根据岩样上标注的方位,将岩样恢复到原始位置状态,在其上寻找一个水平面,确定正北方向,以 N作为 x方向,建立 x,y,z空间坐标系。并在 x,y,z,x45°y,y45°z,z45°x6个方向上 [7,8](图 1),各制取 4～6个试件。试件为 25 mm×25mm×75mm的长方体。试件切、磨成形后,2个加载端面经手工精磨,使其平行度、垂直度与平整度得以充分保证,符合岩石力学试验标准的要求。 试验所用设备为美国产MTS815Teststar程控伺服岩石刚性试验机和AE210声发射测试系统。前者控制精度高,加载稳定,给试件提供轴向荷载。在试验过程中,用恒荷载速率控制加载,速率为：15 kN/min.后者灵敏度高,测试结果可靠,用于监测试件在荷载作用下的声发射信号。声发射测试系统[9](图 2)的增益和门槛电压分别设置为 35 db和 0.5 V.为了消除试件端部与压力盘之间因摩擦而产生的噪声,实验中
在试件两端加垫层材料隔噪声,减小摩擦。垫层材料采用医用胶布。在发射探头的检测面上抹上一层凡士林并紧贴在试件中部,要求排净空气,耦合剂要薄,使得试件、耦合剂、探头 3者阻抗特性在数量上相匹配。
地应力测试的主要成果是主应力的大小和方位。通过对定向岩石试件施加轴向荷载,同时测定声发射信号,得到声发射信号突变点对应的荷载值,即是岩石 Kaiser效应特征点。利用弹性力学理论,对空间6个方向岩石 Kaiser效应特征点的荷载进行计算,最终得到取样点的主应力大小及方位。
在试验过程中,计算机自动记录声发射事件、振铃和能量 3种参数。在确定每个试件的 Kaiser效应特征点时,用声发射能量作为测试参数。因为声发射能量是声发射幅度的平方和,它不仅物理意义明确,而且使 Kaiser效应特征点更易于确定。 考虑到岩石是不均匀及各向异性的材料,以及加工应力和加载初期裂纹闭合的影响,一般不选初始声发射点作为 Kaiser效应特征点。本次试验根据声发射能量 -时间曲线的急增开始点作为声发射特征点。
对各个方向岩石样品试件分别进行单轴压缩下的声发射测试,其典型的试验结果见图 3.从图 3中可以看出,随着加载荷载的逐渐增大,当在 27 s时,开始出现声发射现象;27 s后出现大量的声发射点。由此说明,刚开始加载时没有声发射现象,只有当荷载增加到一定程度时,才开始有明显的声发射出现。根据 Kaiser效应理论,此时的荷载就代表岩石的最大先期应力。图 4是与之对应的能量累计数 -时间的关系,在图 3中声发射明显的地方也是图 4中能量累计陡增之处。
应力数据的读取按照每个方向的 4～6个样中选出 3个声发射特征相对明显的样,再从每个样实验所得应力数据中选取 3个级别荷载,然后按照节 1.2的试验资料整理方法对试验数据进行计算分析。由此可求得试样的主应力及其方向 (表 1)。 1)左岸岩体地应力最大主应力量值为 9.13～17.52 MPa,平均为 14.42 MPa;最大主应力方位为114.47～177.36°,总体方向为 SSE向;最大主应力倾角为 -40.～-
73.04°,平均为 -55.04°,与岸坡基本平行。总体而言,左岸岩体地应力的最大主应力基本介于 9～18MPa之间,属于中等地应力量值范围,最大主方向为 SSE向。 2)左岸岩体地应力中间主应力量值为 6.83～10.47 MPa,平均为 8.88 MPa;中间主应力方位为 NNE向,平均为 N28.76°E;倾角为缓倾角至中缓倾角。
3)最小主应力量值为 3.52～6.96 MPa,平均为 5.22 MPa;最小主应力方位为 NW方向,平均为N54.31°W.最小主应力量值与最大主应力量值相差较大。
4)因 6个取样点的垂直埋深均较小,在 33～143 m之间,最大主应力的量值与随垂直深度的增大有变大的趋势,但相关性较差。
现场测试结果表明：该电站左岸的地应力主要为低 -中等应力,最大主应力为 5.0～12.4 MPa,方向129～184°,平均 153°,即 SSE方向 ,平均倾伏角 23°.
通过结果对比可以看出,利用岩石声发射室内所测地应力与现场测试的地应力无论在大小和方向上均具有较好的一致性,这从反面证明了岩石声发射测试地应力的有效性。
1)考虑到浅层取样且在探硐内取出的岩样可能受应力集中的干扰,以及由岩石不均匀性,试样制作时产生的“加工裂纹”及初始加载等产生的声发射活动的影响,通过对 3个方向主应力的测试,可以定量地测出最大主应力的大小及方向。kaiser效应测试值和现场实测值结果比较吻合,为边坡岩体的稳定预测提供有力的依据。其可靠性一般可以满足工程需要,其测试方法和结果可行。
2)取样时尽量对同一方向的试样多取。这便于将测试结果进行加权平均计算,以使结果更接近实际值。
3)岩石声发射能量计数率与时间曲线上一般有多个急增点,即 Kaiser效应点。试件 Kaiser效应点出现得早,所对应的应力较低;出现得晚,则对应的应力高。
4)单轴压缩条件下岩石 Kaiser效应是由于岩石内部微裂纹和岩石体内部颗粒间摩擦引起的。因岩石试样中微裂纹分布的非唯一性和随机性,岩石 Kaiser效应呈间断、
频发性。
5)利用岩石 Kaiser效应试验测试地应力,不仅比传统的现场测定地应力方法简单,成本低,速度快,而且便于进行大量测试。随着测试技术和仪器精度的进一步提高,利用 Kaiser效应测定原岩应力的准确度会更加可靠,利用也会越来越广泛。
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