应用岩石声发射凯塞尔效应法构造应力场

应用岩石声发射凯塞尔（Kaiser）效应法研究构造应力场xx铁道xx设计院xxxx710043摘要：本文着重对xx应用岩石声发射凯塞尔（Kaiser）效应法，研究xx越岭区构造应力场的成果进行了总结，重点介绍了其原理和试验方法，对越岭隧道区试验结果进行了分析、对比和论证，提出了构造应力场研究结论。关键词：凯塞尔效应；构造应力场；研究；应用1引言xxxx越岭地区位于华北地台和北xx褶皱带的接壤地带，褶皱、断裂构造复杂，岩性多变。为了较为准确地分析和评价越岭地区的区域稳定性，确保越岭隧道工程的稳定与安全，我们主要应用了岩石声发射凯塞尔（Kaiser）效应法，并结合微构造法、数字模拟（边界元法）和深钻孔实测地应力，对越岭隧道区构造应力场进行了研究，搞清了越岭隧道区的构造应力场特征，效果较好。2基本原理和试验方法2.1基本原理所谓凯塞尔（Kaiser）效应是指材料在经受一次或多次加载—卸载过程后，若再次对其加载，只要未达到先前所施加的最大应力值，则很少发生声发射（简称AE），只有超过先前最大应力值时才有显著的声发射。也就是说，材料在外力作用下的声学特征对其受力历史具有记忆性，记忆的是历史上受到的最大应力。1963年美国学者Googman对岩石进行试验，发现岩石的声学特征也具有对其受力历史的记忆性。后来，许多学者研究发现岩石材料的Kaiser效应具有方向独立性，在此基础上，将Kaiser效应方法应用于岩体地应力的测试。近年来，对Kaiser效应的试验研究，发现岩石Kaiser效应具多期性，与现场测试结果比较，岩石Kaiser效应不象金属材料记忆的是历史的最大应力，而是现代地应力状态。由于地应力Kaiser效应测试在理论上和使用方法上的不断成熟，也因其简便、易行、节省资金等优势，在国内外已被广泛应用于岩体的地应力研究。2.2试验方法首先，应在现场选择合适的点位采取定向样品，如岩层产状明显，变化不大的地域也可采取地下不同深度的钻孔岩样，标明岩样的野外方向（本次采取的野外定向样品）。试验室制样时，先将岩石毛样（或定向岩芯）恢复成大地坐标下的现场原始状态，然后以Y轴为北（N），在毛样上建立大地坐标OXYZ，沿六个不同的方向切取2.5×2.5×7.5cm3的试样室内制成不同方向的试件。计算出定向岩样的六个切样方向在大地坐标下的方向余弦，每个方向切样4～6个，并按要求对试样进行精磨。试样加压及声发射接受、放大和处理系统，如图1。本次试验的加压设备是美国TMS公司生产的饲服刚性试验机，该仪器加压平稳，噪音小，精度高。同时，使用该仪器大大地减少了外部干扰噪音，增加了声发射测试的准确性和可靠性。试验中采取了恒定的加载速率控制加载，以避免速率的变化可能触发的声发射事件，具岩性特征，本次采用的加载速率为0.2和0.3MPa/sec。2.3测试资料整理试验测得岩石的声发射对数累计和声发射率曲线如图2。抓图伤1揉加载及声发射侦测试系统震图分2庆室岩石的声发射切对数累计和声拼发射率曲线怨由袖此可见，岩石挨声发射总数累苹计有明显急增相现象。一般有永两个以上的急陷增点，虹即胁Kaise晶r牵效应点。有的产岩样第一级个笛Kaise道r辟效应点出现的刑早，对应的应吵力较低，有的疏出现较晚，对券应的应力高。世利用弹性力学刺的有关理论，脚可以求解个试释样主应力的大鼻小和方向。怕3驶师岩石声发颂射甘Kaise资r骆效应试验成果鹿分析柴本次在全区共便选择漫了很1玉1羞组样品进行了酒岩石声发宿射燃Kaise载r悔效应试验，其存中算前按5规组样品包的屑Kaise肝r腔效应测试成果途如早表气1仔。久从测试结果看毕，测区现代构蜜造应力场的总烂体方位身为虹N挤E凭向。其分布具耻有规律性，以捐区趋内马F水3驱断层（为测区凑贯穿全区的区旱域性大断裂）退为界，可划分承为北、南两个块区域福，熄F栋3添断层主应力方唱位促为喊NNE-N怎E鲜向，测得值主下应力方向平均发为爷N33°角E捎，主应力值罢为肃15.聋6亭～就19是.掏５勉MP绸a拢，与华县实测何地应力方向兆为默N34°炮E套，主应力值铲为昆19.1MP貌a盾（地面以下搞10m且左右）相吻合响（注：本数据细摘自刘国昌著割《区域稳定工相程地质昌》盗199份3影年）。以南主达应力方位粮为湖NE-NE歉E颤向，测得值主班应力方向平均溪为括N78°柴E趴，主应力值魄为且12.戴5衬～躲15.7MP恶a似。从测区总体携看，由北向南浇主应力方位浩由愁NN至E个逐渐转变亏为进NE班E众向。主应力值拍平均贞在奴15MP忌a盲左右，显示是琴相对较高的应秒力水平，一般次在大断层附近纪，应力值相对窜较低，在断层林间组成的断块普之间完整岩体允地应力相对较园高。痒表立1椒些定向岩策样茎Kaise档r胖效应测试成果蜂表初岩样编号僵岩石名称引主应力乱主应力值销（撞MPa闭）悉红方位角西（度）法倾的雹恨角底（度）贯K糕1男石英片岩踩（裳P爽t殿kn隆）透σ起1症15.37太72.4躬8.9狡σ狮2葱7.3践-32.9尼-59.4商σ庆3根4.1抚-12.6爪29.1揭K都2灾灰岩凤（亩∈揭2肉）跃σ施1哀19.5思33.0忘8.5说σ芹2驱10.1械-31.9瘦73.1笨σ丧3钩0.8站-59.1四-14.5抱K竹3隐混合花岗岩添（贤Mi营γ补）谅σ防1程12.5插81.1狐7.8夺σ并2误7.0刚-11.4理-17.6状σ异3他2.5馒14.1狱-70.7苍K当4旷花岗岩衬（拜γ杠5闷）睬σ郊1盘18.8炊79.4钟15.0阔σ透2映13.5格-1.2袭31.6斑σ眉3脉10.5嫂-32.4冤-54.3慌K怨5宴花岗岩植（同γ危2凯）技σ疯1退15.6乓31.9畜8.8扒σ衣2泻10.8考-57.3财5.3题σ事3免8.9漏63.5乏-79.7圆注：表中方位就角顺时针为正献，逆时针为负亭；倾角是仰角要为正，俯角为贵负。饮4床乏其他试验成果威综述眉4.栽1加微构造法测定潜构造应力场叠本次在测区从习元古界到第四肢系不同地层穿的踪14御1违个观测点博的学233蔑1菊条微断层进行胖了系统测量，妇并采用丘了层E.Care衔y饮的程序反复计商算拟合。结果北自燕山期以后嘱共有三期主要纲构造应力场，煌第一期松弛期旨应力场，第二袖期吼为赤NW-S卫E窗向应力场，第垦三期做为认NE-S忍W客向应力场。其陈中第三期应力寿场为本区最新鞋一期构造应力腥场，在本期应章力仪场中站，庙N丑E拼向水平挤压哭和堤N额W测向水平拉伸共亡存，但哪以胳N津E虑向水平挤压占逃优势。艇4.宣2如采用边界元法山对构造应力场佛的数字拟合他为了更准确地涌反映测区构造凉应力场特征，标本次采用了边孙界元法进行了蛾数值反演模拟槽分析，并对构父造应力场特征翼进行模拟计算丢。模拟结果测冷区构造应力场患的总体方向伯为收NE-S狼W朝向挤压，最大忌应力值师为笔5冈～汇20MP母a烟，与前述几种杀方法基本相同要，最大剪应力果值珠为封5惭～既15MP驾a半。最大主应力做异常区和最大规剪应力异常区耀一致，都集中旁在断层转折及叮交汇地带。骨4.翅3紫钻孔测定构造愁应力场张为了进一步摸庭清越岭隧道深盲部地应力值及格方向，我们选餐择任了雄3季个钻孔的部分扮段落应用了水田压致裂法进行哨了地应力测量我，结果如援表马2碑。腔表千2计蛙钻孔地应力测及试成果表辫钻孔编号副岩石名称脖平均最大主应顺力丛（绣σ偶1帝）畏最大主应力值读（肃MPa其）按Z笛1商片麻砌岩肠(拢Arth雷）肾N86°E狱8.35苦Z搬2届片麻岩译（挨P争t泪q烦n薄）怒N77°E编2.9牵4猛～挽8.09涝Z祥3罚花岗岩夫（顽γ汉2始）投N51°W虏4.眼9辩～竟26.18她由于钻孔测试棚点较少，主应双力方向的代表爹性不强，可以悦看处测点处主凳应力方向蒸为绪NE毒E涨向五，里N坟W木向可能受局部翻应力的影响，首主应力值的大与小与岩石声发伍射职Kaise钩r睁效应测出的值结变化不大，基迎本吻合。5结论鞋从以上资料综偏合分析，测区丈内现代地应力炒方向练为毒NE-NE重E喊向，由于局部塘构造环境的不订同地应力方向廊有所偏差，地串应力值一般小撕于毒20MP泪a侍。局部岩体完既整地段地应力走可高货达挨2拾0再～指25MP作a咸。本次采用了饰岩石声发毫射轰Kaise宇r扔效应法与微构鸣造法和构造应夜力场数值模拟狡技术相结合，街研究了越岭地典区构造应力场怎，提出了主应维力的方位、分命布特征及地应废力的相对值，蒜为铁路越岭隧刚道方案选择和突设计提供了依叮据淋。结猪从本次试验结蜜果看，利用岩替石声发欣射菜Kaise旧r拾效应测得的地匪应力方位和主间