張 昕，付小敏，沈 忠，黃興建

（地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學(xué))，四川 成都 610059)

利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測試地應(yīng)力的方法研究

張 昕，付小敏，沈 忠，黃興建

（地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學(xué))，四川 成都 610059)

利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)在室內(nèi)測試地應(yīng)力的原理及測試方法，對巖石塊體空間6個方向的試件進行單軸壓縮荷載作用下的聲發(fā)射測試。通過對試驗數(shù)據(jù)的處理，分析能量-時間曲線以選定多級Kaiser效應(yīng)特征點，即多級應(yīng)力分量。運用彈性力學(xué)理論及自編程序，對空間6個方向的多級應(yīng)力分量進行自由組合計算地應(yīng)力，結(jié)合取樣現(xiàn)場的地質(zhì)環(huán)境綜合確定地應(yīng)力的大小及方向。研究成果對于完善室內(nèi)測試地應(yīng)力以及提高確定地應(yīng)力的準(zhǔn)確度有所幫助。

地應(yīng)力；Kaiser效應(yīng)特征點；巖石聲發(fā)射

0 引 言

地應(yīng)力是存在于地層中未受工程擾動的天然應(yīng)力，它對采礦、水利水電、土木建筑和其他各種地下巖土工程或露天巖石開挖工程具有十分重要的意義。因此，對地應(yīng)力的測量從理論到應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展起來，常用的測量方法有鉆孔應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法、水壓致裂法等，但在實際測量中，這些地應(yīng)力測量方法必須在現(xiàn)場進行，工作量大，工藝復(fù)雜，費時費錢，并且一次測量只能獲得少量的實測數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象，測量結(jié)果具有不確定性，并且達不到所需數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，一定程度上限制了現(xiàn)場巖體應(yīng)力測量工作的推廣使用[1]。近些年來，在室內(nèi)利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測試地應(yīng)力的方法改善了傳統(tǒng)的現(xiàn)場測量方法的缺點，具有簡捷、直觀、經(jīng)濟且不受現(xiàn)場條件限制等優(yōu)點，在實際工程的應(yīng)用逐漸廣泛，能夠達到滿足工程需要的效果。

巖石聲發(fā)射技術(shù)是理論落后于實際應(yīng)用的少數(shù)學(xué)科之一[2]。現(xiàn)今國內(nèi)外對聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測試地應(yīng)力的方法存在較多爭論，特別是在Kaiser效應(yīng)特征點的確定方法上尤為突出。目前普遍用來判斷Kaiser效應(yīng)特征點的方法是將時間（或應(yīng)力)作為橫坐標(biāo)，將加載過程中聲發(fā)射某個參數(shù)或參數(shù)累計作為縱坐標(biāo)，然后以關(guān)系圖上一開始出現(xiàn)的激增點作為Kaiser效應(yīng)特征點，該點對應(yīng)的應(yīng)力大小即作為所測試的地應(yīng)力值。同時，還有許多學(xué)者對于確定Kaiser效應(yīng)特征點的方法有所探討，如M.Momayez[3]以聲發(fā)射累計計數(shù)曲線的最大曲率點作為Kaiser點；尹賢剛等[4]以聲發(fā)射累計數(shù)-應(yīng)力曲線上的激增點作為Kaiser點，應(yīng)用在廠壩鉛鋅礦單向地應(yīng)力測量中，結(jié)果較為理想，可以較好地滿足工程需要；文獻[5]利用小波分析對巖石聲發(fā)射Kaiser點信號進行頻譜分析，通過分析Kaiser點聲發(fā)射信號的波形來確定Kaiser點；文獻[6]通過對沒有明顯拐點的聲發(fā)射參數(shù)（或累計參數(shù))與時間（或應(yīng)力)關(guān)系曲線求取切線交點，再根據(jù)巖石聲發(fā)射能量關(guān)聯(lián)維數(shù)曲線判讀Kaiser效應(yīng)點的綜合分析方法；薛亞東等[7]提出了R/S統(tǒng)計分析法，通過對巖石聲發(fā)射信號重標(biāo)區(qū)間（R/S)分析，將赫斯特指數(shù)H=0.5時對應(yīng)的點確定為Kaiser點。

綜上所述，判斷Kaiser效應(yīng)特征點的方法并不統(tǒng)一，適用條件、個人主觀性等都是造成誤差的原因。為此，提出更為準(zhǔn)確、全面地選取Kaiser效應(yīng)特征點的方法具有重要意義。本文重點介紹單軸壓縮荷載作用下巖石聲發(fā)射試驗的原理和過程及數(shù)據(jù)處理方法，利用測試結(jié)果，在每個試樣聲發(fā)射特征參數(shù)與時間的關(guān)系曲線上選取三級Kaiser效應(yīng)特征點，確定其對應(yīng)的應(yīng)力值，每個方向多個試樣的三級應(yīng)力各級求取算術(shù)平均值即為該方向的三級應(yīng)力分量；再基于彈性力學(xué)理論，利用Visual Basic6.0編寫計算程序，將6個方向的三級應(yīng)力分量進行隨機組合得到若干應(yīng)力分量組合，計算出若干組應(yīng)力分量對應(yīng)的主應(yīng)力及其方向；最后綜合現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境等因素確定地應(yīng)力，以期完善室內(nèi)測試地應(yīng)力方法并提高地應(yīng)力測試的準(zhǔn)確度。

1 巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測試地應(yīng)力原理

巖石聲發(fā)射（acoustic emission，AE)是指巖石在受力變形破壞過程中，微裂紋的產(chǎn)生、擴展和貫通所釋放的能量產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象[8]。德國物理學(xué)家J.Kaiser通過研究首先發(fā)現(xiàn)鋅、鉛、錫、鋼、鑄鐵等金屬材料的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，再次重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達到先前最大應(yīng)力值時，很少有聲發(fā)射產(chǎn)生，而當(dāng)應(yīng)力達到和超過先前經(jīng)受過的應(yīng)力水平，會產(chǎn)生大量聲發(fā)射活動，這種現(xiàn)象稱作Kaiser效應(yīng)。聲發(fā)射技術(shù)很快得到世界各國的關(guān)注，紛紛開始深入研究與發(fā)展應(yīng)用。美國學(xué)者Goodman在巖石壓縮試驗中證實了巖石也具有Kaiser效應(yīng)，即在加載過程中，巖石內(nèi)部微裂隙擴展，巖石所受壓力達到其先期最大應(yīng)力時，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，繼續(xù)施加荷載，巖石所受壓力大于其先期最大應(yīng)力時，已經(jīng)產(chǎn)生的裂隙進一步擴展貫通和新的裂紋產(chǎn)生，同時伴有大量的聲發(fā)射活動出現(xiàn)。由此，基于巖石具有記憶原先應(yīng)力水平的特性，在室內(nèi)利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測試地應(yīng)力的方法得以發(fā)展，巖石Kaiser效應(yīng)為測量巖石應(yīng)力提供了一個新的途徑[9]。

于學(xué)馥等[10]從巖石材料的記憶性角度，對聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)作了解釋：巖石蠕變裂紋的疲勞再擴張對產(chǎn)生這種蠕變裂紋的先前應(yīng)力水平具有記憶性，這是產(chǎn)生聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)的原因所在，在未達到或超過先前曾承受過的某一蠕變裂紋時，其作用應(yīng)力相對于長期蠕變應(yīng)力而言均具有瞬時載荷的特點，此時蠕變裂紋一般不再擴張，只有應(yīng)力達到先前承受的蠕變應(yīng)力水平時，巖石中的微裂紋才開始顯著擴張，并伴生有Kaiser效應(yīng)。樊運曉[11]通過試驗研究認(rèn)為單軸壓縮下巖石聲發(fā)射產(chǎn)生的原因是加載過程中試樣不斷受到損傷，Kaiser效應(yīng)記憶應(yīng)力的機理是巖石對先前損傷的記憶，這也是目前公認(rèn)的利用聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測量地應(yīng)力的基本原理。

2 巖石聲發(fā)射試驗

2.1 巖石試樣的制備

圖1 制樣方向

圖2 巖石聲發(fā)射試驗設(shè)備

在室內(nèi)把從現(xiàn)場取回的定向巖樣恢復(fù)到原始位置狀態(tài)，在其上尋找一個水平面，確定正北方向作為X 方向，建立 X、Y、Z空間坐標(biāo)系，并分別在 X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X 6 個方向上，每個方向至少各制取5個試樣以提高測量數(shù)據(jù)的可靠性，保證測試的準(zhǔn)確度，如圖1所示。試樣經(jīng)過切、磨成形后，兩個加載端面再經(jīng)手工仔細研磨，使其上下表面的平行度、垂直度與平整度滿足巖石力學(xué)試驗標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2 試驗設(shè)備及試驗方法

試驗在成都理工大學(xué)“地質(zhì)災(zāi)害防治與工程地質(zhì)環(huán)境保護國家重點試驗室”進行，如圖2所示。單軸壓縮荷載作用下的聲發(fā)射試驗采用加載控制系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)兩套裝置配合完成，系統(tǒng)基本原理如圖3所示。

圖3 試驗系統(tǒng)原理圖

試驗加載設(shè)備為美國MTS公司的MTS815程控伺服剛性試驗機，框架整體剛度5 000 kN/mm，最大軸壓3000kN，應(yīng)變率適用范圍10-7～10-2s-1，其控制準(zhǔn)確度高、加載穩(wěn)定，給試樣提供軸向荷載，確保聲發(fā)射試驗的真實性。聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備采用北京聲華科技公司生產(chǎn)的SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)（可同時記錄幅度、振鈴計數(shù)、能量等聲發(fā)射參數(shù)值)，對整個試驗過程全程跟蹤監(jiān)測，其靈敏度高，采集的數(shù)據(jù)結(jié)果可靠。聲發(fā)射傳感器（探頭)型號為SR150N型，其工作頻率為 22～220 kHz，設(shè)置采樣頻率 2 500 kHz，采樣長度（點數(shù))2044，參數(shù)間隔 500μs，外參（荷載)采集間隔1s，前置放大器增益值為40dB。

進行試驗時，用恒定加載速率控制加載，一般為10kN/min。為保證試驗過程中聲發(fā)射儀器探頭與試樣能夠緊密接觸，利于采集聲發(fā)射信號，加強探頭與試樣之間的耦合效果，在試樣的中部涂抹適量凡士林，并用橡膠圈將探頭牢牢固定在試件側(cè)面。為了消除加載過程中試件上下端部摩擦和試驗機傳來的外部噪音對聲發(fā)射信號采集的影響，采取在試樣兩端粘貼醫(yī)用膠布的特殊處理方法消除干擾。聲發(fā)射試驗狀態(tài)如圖4所示。

圖4 聲發(fā)射試驗狀態(tài)

3 試驗結(jié)果整理

3.1 選取多級Kaiser效應(yīng)特征點

準(zhǔn)確選定Kaiser效應(yīng)特征點是利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測試地應(yīng)力方法的關(guān)鍵所在。

在聲發(fā)射試驗過程中，儀器自動記錄聲發(fā)射到達時間、持續(xù)時間、事件數(shù)、振鈴計數(shù)和能量等聲發(fā)射基本參數(shù)。在確定每個試件的聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)特征點時，選用聲發(fā)射能量和振鈴計數(shù)作為測試參數(shù)。

圖5為一個試樣的聲發(fā)射特性曲線圖，其中a曲線為荷載與時間的關(guān)系曲線，b曲線為聲發(fā)射振鈴計數(shù)與時間的關(guān)系曲線，c曲線為聲發(fā)射能量累計數(shù)與時間的關(guān)系曲線。結(jié)合兩曲線的變化特征進行分析，臺階的起點對應(yīng)聲發(fā)射信號突變點，即該試樣的Kaiser效應(yīng)特征點。

圖5 巖石聲發(fā)射特性曲線圖

巖石本身是天然的復(fù)雜地質(zhì)體，需考慮到在試驗過程中受制樣加工應(yīng)力和加載初期試樣內(nèi)部原生微裂紋被壓密實發(fā)生閉合及微結(jié)構(gòu)面錯動的影響，產(chǎn)生的聲發(fā)射信號較多，因此一般不選取初始聲發(fā)射點作為Kaiser效應(yīng)特征點[12]。應(yīng)盡量規(guī)避試驗人員的個人主觀性導(dǎo)致的誤差，對聲發(fā)射活動特征進行具體分析，對每個方向上各個試樣的聲發(fā)射能量累計-時間曲線及振鈴計數(shù)-時間曲線結(jié)合對應(yīng)進行分析，各個試樣均選定三級聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)特征點。

3.2 計算應(yīng)力分量

由于巖樣的不均勻性，同一地點、同一方向的不同試樣測試所得的應(yīng)力水平值也會不同，因此每個方向上需要盡量多個試樣進行試驗。根據(jù)每個試樣選定的Kaiser效應(yīng)特征點確定其荷載值，由試樣的受力面積計算應(yīng)力值，同一方向多個試樣的平均值即為該方向的應(yīng)力分量。

每個試樣的Kaiser效應(yīng)特征點應(yīng)力σk計算公式為

式中：σk——Kaiser效應(yīng)特征點試樣所受應(yīng)力，MPa；

Pk——Kaiser效應(yīng)特征點試樣所受荷載，kN；

A——試樣截面積，cm2。

同一方向多個試樣的三級應(yīng)力分量計算公式為

式中：σx、σy、σz、σx45y、σy45z、σx45z——X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X 6 個方向的應(yīng)力分量；

σkx、σky、σkz、σkx45y、σky45z、σkz45x——X、Y、Z、X45°Y、Y45°Z、Z45°X 6 個方向的 Kaiser效應(yīng)特征點應(yīng)力；

n——每個方向的試樣個數(shù)。

3.3 計算地應(yīng)力

依據(jù)彈性力學(xué)理論，利用Visual Basic6.0編寫計算程序，將6個方向的三級應(yīng)力分量進行隨機組合得到若干應(yīng)力分量組合，通過程序計算得出若干組應(yīng)力分量對應(yīng)的主應(yīng)力及其方向。

程序代碼如下：

′h為每個方向測定塊數(shù)r為級數(shù)a為傾角b為方位角

其中，z（1)、z（2)、z（3)為空間主應(yīng)力值；c（1，i1)、c（2，i2)、…、c（6，i6)為各方向的應(yīng)力分量值；l（i)、m（i)、n（i)為主應(yīng)力與 X 軸、Y 軸、Z 軸的余弦值；a（i)為主應(yīng)力σ1與XOY平面的夾角，即傾角，仰角為正，俯角為負(fù)；b（i)為主應(yīng)力σ1在XOY面上的投影與X軸的夾角，即方位角，逆時針為正，順時針為負(fù)；i=1，2，3。

4 結(jié)束語

1)利用巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測試地應(yīng)力的方法為實際工程中巖體地應(yīng)力的測量提供了一種可靠的途徑。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場地應(yīng)力測量方法相比，這種方法具有簡單、經(jīng)濟、限制少等顯著優(yōu)點。通過試驗可以獲得大量的測試數(shù)據(jù)并且能夠長期保存，有利于后續(xù)的科學(xué)研究。

2)目前多數(shù)研究者對Kaiser效應(yīng)特征點的選取方法上存在爭議，本文討論了不選取初始聲發(fā)射點作為Kaiser效應(yīng)特征點的原因，利用每個方向多個試樣的聲發(fā)射能量累計-時間曲線與振鈴計數(shù)-時間曲線相互對照分析，各個試樣均選定三級聲發(fā)射突變點即Kaiser效應(yīng)特征點的方法。

3)求得每個方向上各個試樣的三級Kaiser效應(yīng)特征點在應(yīng)力-時間曲線上對應(yīng)的荷載值，計算出相應(yīng)的應(yīng)力值后，將試樣的三級應(yīng)力各級取平均值，即得到該方向的三級應(yīng)力分量。根據(jù)彈性力學(xué)理論，利用Visual Basic6.0編寫計算程序，將6個方向的三級應(yīng)力分量進行隨機組合得到若干應(yīng)力分量組合，通過程序計算得出若干組應(yīng)力分量對應(yīng)的主應(yīng)力及其方向。最后結(jié)合具體取樣點的地形地貌特征、地質(zhì)構(gòu)造條件等因素，綜合分析并確定與實際情況相符合的主應(yīng)力大小及方向。

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Study on the method of in-situ stress measurement with Kaiser effect of rock acoustic emission

ZHANG Xin， FU Xiaomin， SHEN Zhong， HUANG Xingjian
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection（Chengdu University of Technology)，Chengdu 610059，China)

In this paper，using the principle and test method of in-situ stress measurementin the laboratory with the Kaiser effect of rock acoustic emission（AE)， AE test of rock specimen in six directions is carried out under uniaxial compression.Based on test data processing，and analyzing the energy-time curve to select the multi-level Kaiser effect feature points，namely multi-level stress components.By using the theory of elastic mechanics and self programming，the in-situ stress is calculated by the free combination of the multi-level stress components in the six directions of the space，and combined with the geological environment of the sampling site to determine the magnitude and direction of in-situ stress.The research results are of great significance to complete in-situ stress measurementin the laboratory and improve the accuracy of the determination of in-situ stress.

in-situ stess； Kaiser effect feature point； rock acoustic emission

A

1674-5124（2017）10-0018-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.004

2017-06-12；

2017-07-20

國家自然科學(xué)基金項目（41272321)

張 昕（1992-)，男，河南駐馬店市人，碩士研究生，專業(yè)方向為巖土工程。

付小敏（1963-)，女，四川綿陽市人，研究員，主要從事巖石室內(nèi)試驗相關(guān)工作。

（編輯：李剛）