作者：李元辉
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

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。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。
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。
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。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。
为此, 本文应用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D) , 采用不同的应力路径对岩石试样循环加载, 以探讨不同应力路径对Kaiser 效应的影响。关于RFPA 的具体使用方法、功能及原理的介绍见文献。

1 　数值模型设定
本文采用平面应力模型, 试样的尺寸为100 mm ×50 mm ,模型划分为200 ×100 个单元。设定试样的力学性质(单元的弹模及强度) 服从Weibull 分布 2 　实验结果及分析
为了更清晰地认识不同的应力路径对Kaiser效应的影响,首先对试样进行最简单的单轴循环压缩实验,得到了声发射累计数与应力关系曲线(图1) 和加载步与应变和声发射(AE) 数的关系图(图2) ,与真实实验结果非常吻合。从图1 ,图2 中可以看出,单轴循环加载条件下,可以清晰地观测到Kaiser 效应,而且Kaiser 效应十分准确地记忆了试样先前所受的最大应力,即Felicity 比值(FR)等于1。

2. 1 　加载路径的选择
根据软件自身的功能并结合用Kaiser 效应测试应力的实际情况,选择三种加载路径:
(1) 首循环单轴加载,位移控制,每步加载01002 mm ,加载至0106 mm 后卸载,二次加载时加上围压(分别为5 ,10 ,15 ,20 ,30 MPa) ,轴向加载过程与首循环相同,加载至试样破坏,此加载路径记为路径Ⅰ;
(2) 首循环常规三轴加载(围压分别为5 ,10 ,15 ,20 ,30 MPa) ,轴向采用位移控制加载,每步加载01002 mm ,加载至011 mm 后卸载,二次加载采用单轴加载,加载至试样破坏,此路径记为路径Ⅱ;
(3) 首循环常规三轴加载,与路径Ⅱ首循环相同,卸载时先卸围压,每步015 MPa ,然后卸轴压,二次加载仍采用单轴加载,加载至试样破坏,此路径记为路径Ⅲ·
2. 2 　实验结果
(1) 路径Ⅰ
从图3 可以看出, 二次加载加上围压后,Kaiser 效应点的应力值(以下简称KF 值) 出现明显的滞后现象,而且围压越大KF 值越滞后。图4显示Felicity 比值随着二次加载时围压值的增大而增大,但不同围压下的FR 几乎都处于同一直线上。

(2) 路径Ⅱ
此加载路径与用Kaiser 效应测原岩应力时试样受到的应力路径十分相似。图5 显示,二次加载时由于卸去了围压, KF 值出现明显的超前现象,即单轴压缩测得的KF 值比先前有围压加载时的最大应力要小,并且围压对KF 值的影响很大。如图6 ,首次加载时加5 MPa 围压,则测得的KF 值仅为先前最大应力的43 %( FR = 0143) ,围压越大, 对FR 值的影响越大, 当围压达到30MPa 时,测得的FR 值仅为0.10。

(3) 路径Ⅲ
图7 显示,在保持轴向变形的情况下卸围压,虽然轴向应力减小,但试样内部微裂纹继续产生和扩展,表现为声发射数继续增加。二次加载时采用单轴加压, KF 值与首循环过程中卸围压至零时的轴向应力相等,而并非等于试样先前所受的最大轴向应力。

2. 3 　结果分析
从以上结果可知,试样受到不同的应力路径加载,Kaiser 效应记忆先前最大应力的准确性受到很大影响。
首先,在加载路径Ⅰ下,由于二次加载时加上了围压,要使先前产生的裂纹继续扩展则必须要超过先前最大载荷,所以声发射的恢复出现滞后现象。而当路径为Ⅱ时,情况则正好相反,由于首次加载有围压的保护作用,使微裂纹的出现和扩展需要比单轴加载时更大的轴向应力,二次加载时去掉了围压,所以在还没有达到先前最大的轴向应力时就有AE 事件出现,声发射的恢复表现出超前现象。

采用路径Ⅲ加载时,在保持轴向应变卸围压时,虽然轴向应力逐渐减小,但试样继续受到损伤,声发射数继续增加。二次加载时KF 值与首循环过程中卸围压至零时的轴向应力相等,显然Kaiser 效应记忆的并不是最大轴向应力,而是试样在首循环加载过程中所受的最大损伤。
从以上结果和分析可知,对试样采用不同应力路径循环加载时,二次加载过程中都能观测到类似的“Kaiser 效应”,但Kaiser 效应记忆的并不是试样先前所受的最大应力,而应该是试样内部的最大损伤程度,图7 更是非常形象地表达了这种现象。

3 　结论与讨论
通过使用RFPA2D软件对岩石试样在三种不同循环应力路径下的声发射特征进行了数值实验,发现试样先后受到不同的应力路径加载时,在二次加载过程中仍能观测到清晰的“Kaiser 效应”,但KF 值并不等于先前的最大应力值。所以Kaiser 效应记忆的真实内容不是岩石先前所受的最大应力而是岩石内部的损伤程度,从图3 ,图5 ,图7 可以清楚地观测到这一现象,这更进一步验
证了Kaiser 效应的实质。
迄今为止, Kaiser 效应的最大用途是用于测定原岩应力。根据加载路径Ⅱ下的实验结果, 使用从原岩中取样然后在实验室单轴加载测定KF值的方法测得的结果与真实原岩应力值有很大差别。如要准确地测定原岩应力, 必须在实验室重现试样先前所受的应力路径, 而这又是不可操作的。如前所述, Kaiser 记忆的是岩石内部的损伤程度, 所以如何从岩石损伤的角度用实验室测得的KF 值推测真实的原岩应力, 是使用Kaiser 效应准确测定原岩应力必须要解决的课题。