[發明專利]基于四參數試驗確定巖石變形破壞宏細觀全過程的方法

有效

• 申請號: 202110549984.9
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113092261B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 高亞楠;蘭東昊;張玉棟;王云龍;郭鵬;高峰
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01B17/04;G01B21/32;G01N23/20
• 代理公司: 徐州蘇越知識產權代理事務所(普通合伙) 32543
• 代理人: 張旭

1.一種基于四參數試驗確定巖石變形破壞宏細觀全過程的方法，其特征在于，具體步驟為：

A、首先對需測試的工程巖體取樣，將取樣后的巖體進行試樣加工，制作成圓柱體試樣；

B、將圓柱體試樣放置到壓縮試驗系統中的試驗機上，并將變形傳感器和聲發射探頭貼在圓柱體試樣表面，然后開始壓縮試驗，在壓縮試驗進行的同時，通過聲發射探頭收集聲發射數據，通過變形傳感器收集圓柱體試樣表面的變形數據；

C、根據有限變形理論，對步驟B收集到的變形數據進行計算，得出每一應力水平下能夠表征材料宏觀變形特性的參量—平均整旋角θ，具體為：

其中，為變形梯度；正交變換為旋轉張量；而對稱變換為應變張量，表達式如下：

試驗測量時應變分量是基于小變形理論計算得出的，即：

式中，uⁱ|_j為位移協變導數，為小變形應變；

結合小變形應變分量和有限變形應變分量能得到：

式中，為轉軸方位張量；

根據胡克定律，一維彈性無損的本構方程為

σ＝ES (5)

由式(4和式(5)可得：

上式中σ為應力；

將式(6)推廣至三維情況則能寫為

在三軸試驗中結合式(10)得出：

在三軸壓縮試驗中有如下假設：

則式(8)能寫為

由式(12)得出平均整旋角θ的計算公式：

從而計算得出平均整旋角θ；

D、對步驟B收集到的聲發射數據采用G-P算法，計算聲發射時間分維數D_T，根據空間投影法計算聲發射空間分維數D_S，具體為：

將聲發射信號的時間序列為研究對象，則每一個時間序列對應一個容量為n的序列集：

X＝{x₁,x₂,…,x_n} (12)

式(12)能構造一個m維的相空間(m＜n)，先取m個數作為m維空間的一個向量

X₁＝{x₁,x₂,x₃...x_m} (13)

然后右移一個數據再取m個數構成第二個向量，以此類推，構成N＝n-m+1個向量，相應的關聯函數為：

式中，H為Heaviside函數；r為給定的尺度；在給尺度r取值時，為避免分散性，取r＝kr₀，k為比例系數雙對數坐標系中能得到n個點，對n這個點進行數據擬合，若結果為直線，則表明聲發射序列在給定的尺度范圍內具有分形特征，直線的斜率就是聲發射參數的聲發射時間分維數D_T，即

D_T＝lgW(r)/lg(r) (15)

對于D_S，采用空間盒維數覆蓋，盒維數的定義：

其中，N_(r)為特征尺寸大于的離散體數目，C是材料常數，上式的另一形式為數目半徑關系為：

其中，r為覆蓋自然離散體的不同半徑，M_(r)是半徑為r的圓內所覆蓋的離散體數量，兩邊取對數得到：

lgM(r)＝lgC+D_slg(r) (18)

D_S為聲發射空間分維數；

E、當壓縮試驗完成后，對試樣破裂面進行SEM掃描電鏡試驗，獲得破裂面細觀形貌，觀測破裂面形貌，并計算破裂面分形維數D_A；

計算以δ為大小的單位覆蓋圖像所需要的單位數量為N(δ)，D_A＝-log(N(δ))/logδ；

F、由于平均整旋角θ的變化對應著巖石變形的各個過程，包括壓縮過程中壓密階段、線性階段以及塑性屈服階段，因此最后根據獲得的峰值強度前每一應力水平下聲發射時間分維數D_T、聲發射空間分維數D_S和破裂面分形維數D_A與同一應力水平下的平均整旋角θ進行綜合分析，得出θ與D_T、D_S、D_A的數學趨勢關系，具體公式為：

θ＝a*D_T+b*D_S+c*D_A (19)

最終得出a、b和c的值，從而建立巖石變形破壞全過程的宏細觀之間的定量關系。