不同应力路径对岩石声发射Kaiser效应的影响

不同应力路径对岩石声发射Kaiser效应的影响

李元辉1，袁瑞甫1,2，赵兴东1

(1. 东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳                 110004; 

2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作             454000) 

摘    要:为了解在循环加载过程中使用不同应力路径岩石声发射Kaiser效应的特征,采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)对三种不同应力路径下岩石试样的声发射特征进行了数值计算。在循环加载中采用不同的应力路径对试样加载，在二次加载过程中仍能观测到清晰的Kaiser效应，但是KF值却与先前的最大应力值有较大差别。研究结果表明，岩石Kaiser记忆的真实内容不是先前所受的最大应力，而是岩石内部的损伤程度。使用从原岩中取样，在实验室做单轴压缩声发射实验观测KF值的方法测得的应力值与真实的原岩应力有较大的差别。这一结论对于进一步认识Kaiser效应的本质和用Kaiser效应准确的测定原岩应力有重要的作用。

关键词:声发射；Kaiser效应；应力路径；数值实验；原岩应力

中图分类号: TD 315  文献标识码: A  文章编号: 1005-3026( 2007 )04-0576-04

Effect of Different Stress Paths on Kaiser Effect of Rock Acoustic Emission

LI Yuan-hui1, YUAN Rui-fu1,2, ZHAO Xing-dong1,

(1. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004, China;

2. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China. Correspondent: LI Yuan-hui, E-mail: neulyh @126. com. )

Abstract: To understand the characteristic of Kaiser effect along different stress paths during cyclic load acting on rock, a numerical computation was conducted using the software RFPA2D(Rock Failure Process Analysis) for the characteristics of AE ( acoustic emission) along three different stress paths in rock specimens. The results showed that the Kaiser effect is still clearly observed in the subsequent cycle when the specimens are under the action of cyclically loading though a big difference between KF values ( the stress value at Kaiser effect point) and previous max stress value is found. It was revealed that what was actually recorded in the Kaiser effect memory is the damage level within rock other than the max stress acting previously on thespecimens. So, if sampling from parent rock, the stress value measured from observing KF valueby uniaxial compression AE testing in lab is different greatly from that in parent rock. The conclusion is significant to understanding the essence of Kaiser effect and how to use it to determine the in-situ stress.

Key words:  acoustic emission; Kaiser effect; stress path; numerical test; in-situ stress

1953年，德国科学家Kaiser 首先发现金属材料在受载过程中的声发射具有不可逆现象[1],即对材料进行重复加载时，只有载荷达到材料先前所受的最大载荷后，才会有明显的声发射产生，材料的这种“记忆”现象被称为Kaiser效应。1963年,Goodman通过实验发现在岩石材料中也存在Kaiser效应[2]。此后，Kaiser效应就因其能直观表现岩石的记忆能力而备受关注，并且被广泛地应用于测试原岩应力[3-6]。

岩石声发射Kaiser 效应的力学本质是岩石受到载荷后内部的损伤会增加(新的微裂纹出现或原有微裂纹扩展),重新加载时，只有在达到先前最大载荷后新的损伤才会重新扩展。Kaiser效应表现的是岩石对所经历的外部环境的记忆，而其实质是岩石对自身受到的损伤程度的记忆，它明确表达了岩石材料破坏过程的不可逆性[6-7]。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，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,以此应力值做为该试样方向上的最大应力,然后用弹性力学理论求出岩芯所处环境的原岩应力[3-4] 。但是，用此方法测试时的试样已经脱离了原始地质环境，文献[8]表明不同的应力路径对岩石所造成的损伤程度是不一样的。实验室对岩石试样的单轴压缩与岩样所受的原岩应力显然不是同一个应力路径，所以单轴压缩所测的Kaiser效应点应力是否就是试样在原始地质环境中该方向上的最大应力值得怀疑。