声发射实验原理.doc

声发射实验 一.原理 声发射是指材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波从而发出声响的现象。德国物理学家Kaiser发现经过一次应力作用的磁滞材料如金属，当再次加载到先前经受过的应力水平后，其声发射活动将突然增加，这种岩石的声发射活动能够“记忆”岩石所受过的最大应力的效应成为Kaiser效应。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点成为Kaiser点，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。实验理论正是利用Kaiser点的测取来得到地应力的大小。 通常认为声发射是岩石的微破裂造成的，在岩石承载大于历史最大应力条件时，岩石出现新的微破裂，产生较强的声发射信号，出现Kaiser点。但实际情况往往会出现在最近一次应力历史中所曾受到过的最大应力处的Kaiser效应较为明显，并非遵循上面的理论解释，并且对于某些试样，声发射信号过于剧烈且频繁，Kaiser点难于确定，于是采用重复加载的方法，利用抹录不尽点来寻找Kaiser点。 二.常规声发射实验 常规声发射实验指的是单轴加载条件下的声发射实验。 实验装置 主要由声发射仪、载荷传感器、伺服增压器、控制器、液压源以及加压缸组成。 图1. 常规声发射实验装置 实验的基本过程 MTS电液伺服系统以某一加载速率均匀的给岩样施加轴向载荷，声发射探头牢固的贴在岩心侧面上，用它来接受受载过程中的声发射信号，岩样所受的载荷及声信号同时输入Locan AT—14ch声发射仪进行处理、记录，给出岩样的声发射信号随载荷变化的关系曲线。由上述的Kaiser效应原理，在声发射信号曲线图上找出声发射信号明显增加处，记录下此处载荷大小，即为岩石在地下该方向所受的地应力。据此，可以求得试验岩石在深部地层所受的地应力（指主应力）。 实验的数据解释 由于岩石在地下受三向力作用，所以要在不同方向取心进行试验，通常在室内对取自现场的岩心要在垂直方向取一块，在垂直岩心轴线平面内相隔45度取三块（如图2所示），由上述四个方向岩心进行试验测得四个方向的正应力，利用以下公式确定深部岩石地应力。 图2 声发射岩心取样示意图 （1） （2） （3） （4） 其中：为上覆地层应力：、分别为最大、最小水平主地应力；为地层孔隙压力；为有效应力系数；为垂直方向岩心Kaiser点应力；、、分别为0°、45°、90°三个水平方向岩心Kaiser点应力。 三. 围压条件下的声发射实验 当所取岩心的井深大于3000米时，若按照常规声发射实验方法对岩样进行压缩实验，岩样常常在Kaiser点出现之前就发生破坏，采集到的信号是岩样的破裂信号，而不是Kaiser效应的信号。因此就无法用声发射Kaiser效应来测定岩心所处地层的原地应力大小。为此，提出了围压下的声发射Kaiser实验，旨在提高岩样的抗压强度，希望Kaiser点出现在岩样破坏前，能清晰辨别的Kaiser点。 但这种方法同时带来些问题，那就是Kaiser点出现与围压之间的相关性。Kaiser效应是岩石具有记忆性的表现，是岩石发生蠕变后重新加载的一种反应，它与岩石所处地层环境和地层受力历史有关，从理论上很难获取Kaiser点与围压之间的关系，通过试验可获得一些不同岩性沉积岩的Kaiser点与围压之间的普通规律，根据这些规律可解释岩心所处地层的原地应力大小。 实验装置 围压下声发射Kaiser效应法测定地应力的方法，除了加围压 和信号接收方式不同外，基本上同常规声发射试验方法一样。 图3.围压下声发射实验装置 实验步骤 MTS电液伺服系统以某一加载速率均匀地给在高压井筒内的岩样施加轴向载荷（岩样同时承受围压），声发射探头牢固地贴在柱塞上，柱塞与岩心端面密切接触，用它来接收受载过程中岩石的声发射信号，岩样所受的载荷及声信号同时输入Locan AT-14ch声发射仪进行处理、记录，给出岩样的声发射信号随载荷变换的关系曲线图。从声发射信号曲线图上可找出相应的围压条件下的Kaiser点出受载应力值。 实验数据解释 解释围压条件下Kaiser实验的关键是：取若干岩样，彼此尺寸相近，在高压井筒内围压条件下，施加一定轴向载荷，不同围压条件下寻求Kaiser点处的受载应力值，寻找Kaiser点处的受载应力值与围压的一些规律。 用试验测得的Kaiser效应对应的应力减去由现场测井资料得到的垂向主应力，可以得到两者差值随围压的变化曲线，将Kaiser效应对应的应力减去回归得到的直线表达式，就可以得到围压下Kaiser效应对应的应力与零围压下应力的转换关系式： （5） 其中：