[发明专利]基于四参数试验确定岩石变形破坏宏细观全过程的方法

权利要求书

1.一种基于四参数试验确定岩石变形破坏宏细观全过程的方法，其特征在于，具体步骤为：

A、首先对需测试的工程岩体取样，将取样后的岩体进行试样加工，制作成圆柱体试样；

B、将圆柱体试样放置到压缩试验系统中的试验机上，并将变形传感器和声发射探头贴在圆柱体试样表面，然后开始压缩试验，在压缩试验进行的同时，通过声发射探头收集声发射数据，通过变形传感器收集圆柱体试样表面的变形数据；

C、根据有限变形理论，对步骤B收集到的变形数据进行计算，得出每一应力水平下能够表征材料宏观变形特性的参量—平均整旋角θ，具体为：

其中，为变形梯度；正交变换为旋转张量；而对称变换为应变张量，表达式如下：

试验测量时应变分量是基于小变形理论计算得出的，即：

式中，uⁱ|_j为位移协变导数，为小变形应变；

结合小变形应变分量和有限变形应变分量能得到：

式中，为转轴方位张量；

根据胡克定律，一维弹性无损的本构方程为

σ＝ES (5)

由式(4和式(5)可得：

上式中σ为应力；

将式(6)推广至三维情况则能写为

在三轴试验中结合式(10)得出：

在三轴压缩试验中有如下假设：

则式(8)能写为

由式(12)得出平均整旋角θ的计算公式：

从而计算得出平均整旋角θ；

D、对步骤B收集到的声发射数据采用G-P算法，计算声发射时间分维数D_T，根据空间投影法计算声发射空间分维数D_S，具体为：

将声发射信号的时间序列为研究对象，则每一个时间序列对应一个容量为n的序列集：

X＝{x₁,x₂,…,x_n} (12)

式(12)能构造一个m维的相空间(m＜n)，先取m个数作为m维空间的一个向量

X₁＝{x₁,x₂,x₃...x_m} (13)

然后右移一个数据再取m个数构成第二个向量，以此类推，构成N＝n-m+1个向量，相应的关联函数为：

式中，H为Heaviside函数；r为给定的尺度；在给尺度r取值时，为避免分散性，取r＝kr₀，k为比例系数双对数坐标系中能得到n个点，对n这个点进行数据拟合，若结果为直线，则表明声发射序列在给定的尺度范围内具有分形特征，直线的斜率就是声发射参数的声发射时间分维数D_T，即

D_T＝lgW(r)/lg(r) (15)

对于D_S，采用空间盒维数覆盖，盒维数的定义：

其中，N_(r)为特征尺寸大于的离散体数目，C是材料常数，上式的另一形式为数目半径关系为：

其中，r为覆盖自然离散体的不同半径，M_(r)是半径为r的圆内所覆盖的离散体数量，两边取对数得到：

lgM(r)＝lgC+D_slg(r) (18)

D_S为声发射空间分维数；

E、当压缩试验完成后，对试样破裂面进行SEM扫描电镜试验，获得破裂面细观形貌，观测破裂面形貌，并计算破裂面分形维数D_A；

计算以δ为大小的单位覆盖图像所需要的单位数量为N(δ)，D_A＝-log(N(δ))/logδ；

F、由于平均整旋角θ的变化对应着岩石变形的各个过程，包括压缩过程中压密阶段、线性阶段以及塑性屈服阶段，因此最后根据获得的峰值强度前每一应力水平下声发射时间分维数D_T、声发射空间分维数D_S和破裂面分形维数D_A与同一应力水平下的平均整旋角θ进行综合分析，得出θ与D_T、D_S、D_A的数学趋势关系，具体公式为：

θ＝a*D_T+b*D_S+c*D_A (19)

最终得出a、b和c的值，从而建立岩石变形破坏全过程的宏细观之间的定量关系。