岩石Kaiser效应测地应力原理中的若干问题研究
刘峥1,2 巫虹3
(1.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室 上海 200092 2.上海市地震局 上海200062
3.上海市岩土地质研究院有限公司 上海 200072)
摘 要:该文通过对几种不同类型岩石的实验研究，提出了关于在围压条件下影响岩石Kmser效应的若干问题，分析了它们的声发射特征，为深部地应力测量提供了一种新的解决方法。
关键词：岩石Kaiser效应 记忆能力 地应力
1950年德国物理学家Kaiser.J首先发现经过一次应力作用的磁滞性材料如金属等，当再次加载到先前经受过的应力水平之后，其声发射活动将突然增加，人们称这种现象为声发射Kaiser效应。岩石Kaiser效应的研究和发展是根据金属材料的声发射试验研究而发展起来的，大部分物质的声发射的重要特征之一是不可逆的，对于岩石也同样具有这种特性。从微观破裂的力学观点分析，声发射的不可逆性是岩石微观破裂和塑性变形不可逆的反映。当将在地壳中受地应力作用的岩体取出后，重新加载，研究其声发射与应力的关系则可发现：如果所加荷载小于以前所受地应力值，很少观察到声发射信号；当所加荷载等于或超过原先在地壳中所受的地应力值时，才有声发射信号发生。这说明岩石对过去所受的应力有记忆功能。因此，可以利用这一特性研究地层中任意深度的岩石所受的应力大小，这就是用Kaiser效应测地应力的原理。
1 岩石Kaiser效应存在性试验证明
岩石材料与金属都有磁滞性，他们的差异之在于岩石具有复合材料的属性，即岩石由多种矿物组成。矿物内部、矿物与矿物之间、矿物集合体与矿物集合体之间的连接形式受岩石成因控制，它们之中既有结晶连结又有胶结连结，更主要的是其内部存在许多天然缺陷，在荷载作用下，这些缺陷会发生闭合、张开、扩展、错位等各种力学行为，并同时产生声发射现象。我们选用了与岩石材料相似，而没有应力历史的试件进行岩石Kaiser效应试验机理研究。试件取自人工制作的混凝土块，骨料为花岗岩，颗粒粒径为1～2cm，粘结物为水泥砂浆。试验中首先测得其单轴抗压强度大约为20MPa，然后据此对研究的其它试件分三或四组，逐级增加，进行循环加荷。当第一级预加荷载至10MPa时，只在加荷初期产生一些频数较少的声发射且很快消失，之后并无声发射产生。当稳定荷载约五分钟后，卸荷再加荷，在达到10MPa以前的再加荷过程中并无声发射，至10MPa时，试件出现明显的声发射。如超过此应力值继续加荷至14MPa，此间则无声发射产生。依照第一级循环方法卸荷再加荷时，整个第三次加荷在试件所受应力未达到14MPa之前不产生声发射，而当超过了14MPa时，即产生声发射。过此值继续加压至18MPa，同第二级循环加荷过程一样，在此阶段无声发射产生。卸荷再加荷在达到18MPa之前，同第一、第二循环在该阶段的特征一样，试件无声发射产生。而达18MPa时，试件开始出现明显的声发射，继续加荷至20MPa时，试件开始产生剧烈的声发射，并达极限荷载完成破坏。由上可见，在岩石中Kaiser效应是存在的。
