利用凯赛尔效应测试岩石地应力

一、单位信息

中科院武汉岩土力学所

二、案例摘要

岩石的声发射活动能够“记忆”岩石所受过的最大应力，这种效应为凯塞尔效应。凯塞尔效应表明，声发射活动的频度或振幅与应力有一定的关系。在单调增加应力作用下，当应力达到过去已施加过的最大应力时，声发射明显增加。Kaiser效应的物理机制可认为岩石受力后发生微破裂，微破裂发生的频度随应力增加而增加，破裂过程是不逆的，但是由于已有破裂面上摩擦滑动也能产生声发射信号，这种摩擦滑动是可逆的。因而加载时应力低于已加过的最大应力也有声发射出现，它们就是那些可逆的摩擦滑动引起的声发射事件。当应力超过原来加过的最大应力时，又会有新的破裂产生，以致声发射活动频度突然提高。声发射凯塞尔效应实验可以测量野外曾经承受过的最大压应力。该类实验一般要在压机上测定单向应力。在加载过程中声发射率突然增大点对应着的轴向应力是沿该岩样钻取方向曾经受过的最大压应力。

图1 凯赛尔效应原理图

三、仪器通道数

12通道声发射系统和MTS815 Flex Test GT程控伺服岩石力学试验系统

四、实验过程

为了测定岩样在地下所受的三个主地应力(一个垂直方向，二个水平方向主地应力)，可通过对岩样在不同方向取心进行试验来得到。一般要测得三个地应力，则至少应在四个方向(一个垂直方向，三个各相隔45°角的水平方向)取出四个小岩心，然后通过声发射法测得该四个岩心在地下所受的正压力，并将其代入下式即可求得试样在地下所受的三个主地应力。

图2 声发射取心示意图

五、数据处理与分析

表1 声发射凯塞尔水平地应力测试数据

六、结论

1. 在单轴压缩条件下，页岩试样主要表现为轴向劈裂破坏，强度、弹模普遍较低，分别为15.6~60.2MPa、4.41~17.06GPa，仅4小层表现出较高的弹模和泊松比，92.7~131.8MPa、15.46~28.08GPa。原因在于岩心试样的完整性较差，普遍存在不同程度开裂的层理裂缝，4小层的岩心完整性较好，弹性参数较高。

2. 在围压20MPa的三轴压缩条件下，试样主要表现为斜截面剪切破坏，三轴强度分布在91.4~205.7MPa，弹模分布在13.24~17.72GPa，泊松比分布在0.112~0.140。

3. 地应力测试结果表明，水平最大主应力分布在57.5~60.4MPa，水平最小主应力分布在51.5~55.9MPa，地应力差异系数为0.06~0.13。