專利名稱：一種測量巖石壓縮裂紋擴展過程聲波波速的連續(xù)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖石力學(xué)實驗中的加載過程波速測試，特別適合于分析巖石壓縮過程中由于裂紋擴展而引起波速的變化，特別適合于預(yù)制裂紋巖石試樣壓縮過程中裂紋擴展而引起的波速變化研究。
背景技術(shù)：
在振動作用下，除了震源附近，材料中會產(chǎn)生相應(yīng)的瞬間微應(yīng)變，從而可以假定為彈性。從這個假定出發(fā)，振動波在材料中的傳播速度由材料的彈性參數(shù)和密度決定。根據(jù)彈性理論，材料中波速與彈性參數(shù)之間的關(guān)系為Vp=(I)V*=⑵式中Vp縱波速度；vs橫波速度；E彈性模量；μ泊松比。巖石的縱波波速、橫波波速參數(shù)能較好地反映巖石的致密程度、強度特性、裂紋發(fā)育等情況。因此，在巖石力學(xué)實驗研究和巖體工程實踐中，得到了廣泛的運用?！豆こ處r體試驗方法標準》(GB/T 50266-99)、《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL264-2001)都把巖石 (塊)聲波測試和巖體聲波測試作為基本測試內(nèi)容，分別如圖1A、1B、1C和圖2所示。在地下巖體工程特別是煤礦采掘工程中，巖體松動圈測試就是利用波速在不同松動破壞程度、 不同裂紋擴展程度巖體中的波速差異來判斷巖體松動圈范圍。聲波波速的測量是將聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭通過耦合劑緊貼巖石表面，通過測量聲波在發(fā)射探頭和接受探頭之間的傳播時間t，并測量兩個探頭之間的距離S，計算測試巖石中的聲波波速。
SV =-
1(3)然而，目前在巖石(塊)、巖體中進行的測試都是靜態(tài)的波速測試，即巖石在確定的外部環(huán)境下，不變的內(nèi)部結(jié)構(gòu)條件下進行波速測試。圖3A、3B、3C和3D分別為花崗巖(Westerly Granite)中的軸向微裂紋、花崗巖 (Lac du Bonnet Granite)壓縮試樣中的裂紋、二云英片巖(Quartz Mica Schist)單軸壓縮試驗的軸向裂紋和最大主應(yīng)力垂直條件下洞室開挖洞壁附近剝落破壞示意圖。在單軸壓縮或低圍壓應(yīng)力條件下，巖石等脆性材料(混凝土、玻璃、冰等等)首先產(chǎn)生張拉裂紋，并優(yōu)先沿加載方向發(fā)育。這一結(jié)論已經(jīng)被大量的研究所證實。例如Martin, C. D. and Chandler, N. A. ,1994. The progressive fracture of Lac du Bonnet granite. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,31(6) :643-659.Diederichs, M. S. ,2003. Manuel Rocha Medal recipient-Rock fracture and collapse under low confinement conditions. Rock Mechanics and Rock Engineering, 36(5) :339-381.
Lan，H. X.，Martin，C. D. and Hu, B. , 2010. Effect of heterogeneity of brittle rock on micromechanicai extensile behavior during compression loading. Journal of Geophysical Research-Solid Earth,115.由于張拉裂紋沿加載方向發(fā)展,會對與加載方向垂直方向的聲波波速有較大的影響。裂紋的存在，導(dǎo)致巖石材料垂直裂紋方向的彈性模量降低，根據(jù)公式(I)和公式(2)，彈性模量的降低會使得巖石的聲波波速降低。這一結(jié)論也被相關(guān)研究所證實，例如O’ Connell，R. J.，Budiansky, B.，1974. Seismic velocities in dry and saturated cracked solids. J. Geophys. Res. 79, 5412-5426.Kachanov, M. , 1992.Effective elastic properties of cracked solids critical review of some basic concepts. Appl. Mech. Rev. 45,304-335.Ullemeyer，K.，et al. ,Experimental and texture-derived P-wave anisotropy of principal rocks from the TRANSALP traverse An aid for the interpretation of seismic field data. Tectonophysics,2006. 414(1-4) p.97-116.裂紋的產(chǎn)生、擴展和貫通過程中沿垂直裂紋方向聲波波速會不斷變化。已有的靜態(tài)波速測試手段不能滿足這一測量要求，需要發(fā)明一種動態(tài)連續(xù)聲波測試方法來實現(xiàn)這一功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種測量巖石壓縮裂紋擴展過程聲波波速的連續(xù)測量方法，通過固定聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭，采用數(shù)據(jù)連續(xù)自動記錄系統(tǒng)連續(xù)記錄聲波在巖石試樣中的傳播時間，從而實現(xiàn)整個單軸壓縮加載裂紋擴展過程中巖石試樣徑向的聲波波速的連續(xù)測量，獲得巖石加載過程中的聲波波速-加載時間變化曲線，為巖石試樣加載過程裂紋的產(chǎn)生、擴展和貫通整個過程中聲彈性研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保障。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種測量巖石壓縮裂紋擴展過程聲波波速的連續(xù)測量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一將準備好的巖石試樣置于單軸壓縮試驗機，做好單軸壓縮試驗前的準備工作；其中，試樣為脆性材料，在單軸壓縮條件下沿軸向產(chǎn)生以張拉裂紋為主的裂紋；除巖石材料外，試樣還可以為混凝土、玻璃、冰等脆性材料；步驟二 將聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭分別固定于單軸壓縮巖石試樣側(cè)面，聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭采用彈簧、施力螺絲、測力計以一定的壓力進行固定；步驟三打開數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)，打開聲波發(fā)射探頭自動連續(xù)激發(fā)聲波，數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)能以一定的采用頻率記錄聲波在加載試樣中的傳播時間，進行連續(xù)測量；步驟四啟動加壓系統(tǒng)對巖石試樣以較低的加載速率進行加載，產(chǎn)生沿軸向發(fā)育的裂紋，直至巖石破壞；步驟五數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)得到的是聲波在試樣中的傳播時間，將聲波傳播的距離除以傳播時間，得到試樣加載全過程連續(xù)的聲波波速，最終得到聲波波速-加載時間曲線。
所述聲波波速包括縱波波速和橫波波速；試樣尺寸滿足單軸壓縮試驗尺寸要求， 巖石試樣的形狀可以是圓柱體、長方體，也可以是有預(yù)制裂紋的巖石試樣；預(yù)制裂紋可以是張開裂紋、閉合裂紋或巖石表面一定深度的槽型裂紋，預(yù)制裂紋可以是單條，也可以是兩條或多條的組合裂紋。所述聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭可以是最簡單的一發(fā)一收模式，也可以在試樣右側(cè)固定兩個或多個聲波接收探頭來分析沿加載試樣內(nèi)不同方向的聲波波速，即一發(fā)多收的模式。所述聲波測試方向為垂直裂紋產(chǎn)生的主方向，也即為垂直于單軸壓縮方向。對整個巖石壓縮裂紋擴展過程進行聲波波速的連續(xù)測量，也可以用于多孔隙巖石試樣飽水(或干燥)過程中波速變化全過程測量。由上述提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的巖石壓縮加載裂紋擴展過程巖石試樣徑向聲波波速測測量方法，由于通過固定聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭于加載試樣側(cè)面；采用數(shù)據(jù)連續(xù)自動記錄系統(tǒng)連續(xù)記錄聲波在巖石試樣中的傳播時間，從而實現(xiàn)整個單軸壓縮加載裂紋擴展過程中的聲波波速的連續(xù)測量。


圖1A, IB, IC是巖石(塊)聲波測試；圖2是巖體聲波測試；圖3A，3B，3C，3D是巖石不同尺度的張拉破壞；圖4A，4B，4C是巖石試樣；圖5是測量巖石壓縮過程聲波波速連續(xù)測量裝置系統(tǒng)；圖6A，6B，6C是單軸壓縮試樣裂紋擴展過程聲波波速測量；圖7A，7B，7C是預(yù)制單裂紋試樣加載裂紋擴展過程聲波波速測量。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對于本發(fā)明提供的一種測量巖石壓縮裂紋擴展過程聲波波速的連續(xù)測量方法做出詳細說明。首先，制作巖石試樣，試樣尺寸按照單軸壓縮實驗規(guī)程比例。試樣要求磨平，平整度滿足單軸壓縮試驗要求。巖石試樣為脆性材料，在單軸壓縮條件下沿軸向產(chǎn)生以張拉裂紋為主的裂紋。除巖石材料外，還包括常見的脆性材料，如混凝土、玻璃、冰等脆性材料。巖石試樣的形狀可以是4A、4B、4C所示的圓柱體、長方體和有預(yù)制裂紋的巖石試樣。預(yù)制裂紋可以是張開裂紋、閉合裂紋和巖石表面一定深度的槽型裂紋，預(yù)制裂紋可以是單條，也可以是兩條或多條的組合裂紋。然后，如圖5所不,將巖石放置在單軸巖石試驗機上，固定好巖石試樣8于底盤6 和加壓盤7之間，做好單軸壓縮試驗前的準備工作。其中，完整試樣一般固定在試樣的中間部位；預(yù)制裂紋試樣應(yīng)布置在預(yù)制裂紋的上部或下部，即使得聲波傳播基本不受預(yù)制裂紋的干擾，而只觀察加載所新產(chǎn)生裂紋對聲波波速的影響。接下來，固定聲波發(fā)射探頭I和聲波接收探頭2于試樣8兩側(cè)。為了保證探頭和巖石試樣之間的良好耦合，除了在探頭與巖石試樣見涂抹薄層黃油、甘油或凡士林等耦合劑外，還通過壓緊彈簧3，測力計4，施力螺絲5以一定的壓力進行固定，作用在探頭上，達到增強耦合的效果。彈簧壓力大小可以通過測力計4讀出，參照國際巖石力學(xué)試驗規(guī)程，詳見 Ulusay, R. and Hudson, J. A. (2007)The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring : 1974-2006。取探頭作用在巖石表面的應(yīng)力為lON/cm2左右，乘以探頭與巖石的接觸面積，計算出所需彈簧壓力值。實際測量中也可以同過對標準試樣聲速的標定來確定合適的彈簧壓力值。圖5中為最簡單的一發(fā)一收模式, 可以在試樣右側(cè)固定兩個或多個聲波接收探頭，以一發(fā)多收的方式來分析沿加載試樣內(nèi)不同方向的聲波波速。完成固定探頭程序后，就可以打開數(shù)據(jù)采集器9和數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)10，打開聲波發(fā)射探頭自動連續(xù)激發(fā)聲波，接收探頭接收經(jīng)巖石試樣傳播過來的聲波信號，數(shù)據(jù)采集器采集聲波在發(fā)射探頭和接收探頭之間(即巖石試樣中)的傳播時間，并將該傳播時間傳輸給數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)，進行記錄并存儲。數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)能以一定的采樣頻率記錄聲波在加載試樣中的傳播時間，進行連續(xù)測量。由于傳統(tǒng)的聲波測試是測量穩(wěn)定狀態(tài)的聲波波速，因此數(shù)據(jù)采集器(或示波器)只是顯示當(dāng)前聲波在聲波發(fā)射探頭和接收探頭之間傳播的時間間隔，測量者從顯示器上讀出聲波傳播時間。本發(fā)明要求連續(xù)記錄聲波傳播時間， 因此，提出采用數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)記錄聲波傳播時間。數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)可以選擇不同的頻率進行記錄并存儲。隨后啟動加壓系統(tǒng)對巖石試樣以較低的加載速率進行加載，加載直至巖石試樣發(fā)生宏觀破壞。加載過程中記錄作用在巖石上的應(yīng)力和軸向、徑向應(yīng)變。這些是常規(guī)單軸壓縮試驗的內(nèi)容，在此就不一一贅述。詳細可查看國際和國內(nèi)的相關(guān)試驗規(guī)程。最后，連續(xù)記錄系統(tǒng)得到的是聲波在試樣中的傳播時間，需要用聲波傳播的距離 D(圓柱形試樣)；L(長方體試樣)除以傳播的時間，得到試樣加載全過程連續(xù)的聲波波速。 繪制出聲波波速-加載時間曲線。整個加載裂紋擴展過程聲波波速測量過程示意圖如圖6、圖7所示。其中，圖6A， 6B，6C分別對應(yīng)為單軸壓縮試樣裂紋過程聲波波速測量中的加載初期，未產(chǎn)生裂紋、加載中期，產(chǎn)生裂紋和加載后期，產(chǎn)生大量裂紋；圖7A，7B, 7C分別對應(yīng)為預(yù)制單裂紋試樣加載裂紋過程聲波波速測量中的加載初期，未產(chǎn)生裂紋、加載中期，產(chǎn)生裂紋和加載后期，裂紋增長、增多。由于本發(fā)明實現(xiàn)了對整個巖石壓縮裂紋擴展過程進行聲波波速的連續(xù)測量，也可以用于多孔隙巖石試樣飽水(或干燥)全過程聲波波速測量。本發(fā)明通過固定聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭，采用數(shù)據(jù)連續(xù)自動記錄系統(tǒng)連續(xù)記錄聲波在巖石試樣中的傳播時間，從而實現(xiàn)整個單軸壓縮加載裂紋擴展過程中巖石試樣徑向的聲波波速的連續(xù)測量。實現(xiàn)了聲波波速的連續(xù)測量，從而為巖石試樣加載過程裂紋的產(chǎn)生、擴展和貫通整個過程中聲彈性研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保障。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測量巖石壓縮裂紋擴展過程聲波波速的連續(xù)測量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一將準備好的巖石試樣置于單軸壓縮試驗機，做好單軸壓縮試驗前的準備工作； 其中，試樣為脆性材料，在單軸壓縮條件下沿軸向產(chǎn)生以張拉裂紋為主的裂紋；除巖石材料外，試樣還可以為混凝土、玻璃、冰等脆性材料；步驟二 將聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭分別固定于單軸壓縮巖石試樣側(cè)面，聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭采用彈簧、施力螺絲、測力計以一定的壓力進行固定；步驟三打開數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)，打開聲波發(fā)射探頭自動連續(xù)激發(fā)聲波， 數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)能以一定的采用頻率記錄聲波在加載試樣中的傳播時間，進行連續(xù)測步驟四啟動加壓系統(tǒng)對巖石試樣以較低的加載速率進行加載，產(chǎn)生沿軸向發(fā)育的裂紋，直至巖石破壞；步驟五數(shù)據(jù)連續(xù)記錄系統(tǒng)得到的是聲波在試樣中的傳播時間，將聲波傳播的距離除以傳播時間，得到試樣加載全過程連續(xù)的聲波波速，最終得到聲波波速-加載時間曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述聲波波速包括縱波波速和橫波波速。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述試樣尺寸滿足單軸壓縮試驗尺寸要求，巖石試樣的形狀可以是圓柱體、長方體，也可以是有預(yù)制裂紋的巖石試樣；預(yù)制裂紋可以是張開裂紋、閉合裂紋或巖石表面一定深度的槽型裂紋，預(yù)制裂紋可以是單條，也可以是兩條或多條的組合裂紋。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，聲波測試方向為垂直裂紋產(chǎn)生的主方向， 也即為垂直于單軸壓縮方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭可以是最簡單的一發(fā)一收模式，也可以在試樣右側(cè)固定兩個或多個聲波接收探頭來分析沿加載試樣內(nèi)不同方向的聲波波速，即一發(fā)多收的模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，對整個巖石壓縮裂紋擴展過程進行垂直裂紋主發(fā)育方向的聲波波速的連續(xù)測量，也可以用于多孔隙巖石試樣飽水(或干燥)過程中波速變化全過程測量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種測量巖石壓縮裂紋擴展過程聲波波速的連續(xù)測量方法，通過固定聲波發(fā)射探頭和聲波接收探頭于加載試樣側(cè)面，采用數(shù)據(jù)連續(xù)自動記錄系統(tǒng)連續(xù)記錄聲波在巖石試樣中沿與加載垂直的方向的傳播時間，從而實現(xiàn)整個單軸壓縮加載裂紋擴展過程中巖石試樣徑向的聲波波速的連續(xù)測量。實現(xiàn)了裂紋擴展過程垂直裂紋發(fā)育主方向聲波波速的連續(xù)測量，從而為巖石試樣加載過程裂紋的產(chǎn)生、擴展和貫通整個過程中聲彈性研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保障。
文檔編號G01H5/00GK102589672SQ201210008360
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者張仕平, 張曉平 申請人:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所