摘要
超声波振动碎岩技术作为解决硬岩钻进难题的新方法，其技术可行性受到国内外学者的大量验证，但是对于超声波振动下硬岩破碎机理的认识还存在不足。超声波振动下岩石表面径向响应位移与内部损伤状态存在着必然的联系，本文通过监测岩石在超声波振动过程中表面不同深度处的径向响应位移，利用应力波传播理论从能量耗散角度分析了岩石表面不同深度监测点径向响应位移的时空演化与岩石内部损伤发展的关系，得出超声波振动下岩石损伤主要由振动头高频冲击岩石造成的Hertz锥形环状裂纹和超声波振动交变应力产生的疲劳拉伸裂纹造成的，Hertz锥形环状裂纹的扩展深度为10 mm，疲劳损伤裂纹主要在10~20 mm深度处产生，超声波振动下岩石发生局部宏观破碎前存在着明显的径向响应位移征兆，岩石表面径向响应位移可以作为超声波振动下的破坏判据。本文的研究对于丰富超声波振动下硬岩的破碎机理具有重要意义。
随着地下资源开采以及工程建设深度的不断增加，硬岩地层钻进频率激增，硬岩钻进难题日益显
虽然国内外学者对超声波振动碎岩机具进行了大量研究并证明了其应用的可行性，但是对于岩石在超高频振动下破碎机理的认识还不全面。为了揭示超声波振动下硬岩破碎机理，本课题组已开展了大量研究，取得的研究成果可以概括为3个方面：第一，不同超声波振动参数（振动频率、预载静压力）对岩石宏观及细观损伤影响规律研究；第二，超声波振动下岩石应变场研究；第三，超声波振动下岩石热应力场研究。研究成果表明：当超声波振动频率与岩石固有频率保持一致时，岩石所处的共振状态是碎岩效率提高的关
上述研究并没有涉及应力波在岩石受载过程中的衰减情况，对超声波振动过程中岩石表面产生的位移场的分布及变化的认识还不足，岩石在超声波振动下局部破坏的发生深度问题还有待研究。国内外学者对循环荷载下岩石材料响应规律进行了大量研究，一般认为荷载作用下岩石的非均匀变形是导致岩石破坏发生的主
本文通过测量超声波振动下岩石表面不同深度处监测点的径向响应位移信息，分析各监测点径向响应位移随振动时间及随岩石深度的时空演化发展，探究岩石内部应力波能量衰减过程，从而反推超声波振动下岩石损伤破碎规律。试验研究结果丰富了超声波振动岩石破碎机理，为超声波振动碎岩技术在钻井工程中的应用提供了理论指导。
实验所用的岩石样品由产自吉林省吉林市的中粒花岗岩加工而成，圆柱形式岩样尺寸为Ø（35±0.5）mm×（70±0.5）mm，其主要成分为石英、钠长石、正长石和黑云母，花岗岩试样如
图1 花岗岩试样
Fig.1 Granite samples
超声波振动下岩石表面响应位移测量的试验装置如
图2 超声波振动下岩石表面响应位移测量试验装置
Fig.2 Measurement device of rock surface response displacement under ultrasonic vibration
1—超声波电源；2—超声波振动器；3—预加静荷载；4—超声波位移测量仪；5—位移数据采集控制计算机；6—岩石试样
制计算机5、岩石试样6。
由于岩石样品的尺寸足够大，达到35 mm，岩石内颗粒及孔隙的变化都可以认为是随机产生的，因此可以假设岩石表面径向位移在同一高度上具有均匀性。实验中在岩石表面选取4个位移测量（点如
超声波振动下下岩石的宏观破碎发展如
图3 超声波振动下岩石表面破碎发展
Fig.3 Development of rock surface fragmentation under ultrasonic vibration
岩石表面径向响应位移随时间发展的典型变化趋势如
图4 岩石表面各监测点径向响应位移
Fig.4 Radial response displacement of each monitoring point on rock surface
超声波振动下岩石局部破碎前各监测点平均径向响应位移如
图 5 监测点平均径向响应位移柱状图
Fig.5 Histogram of average radial response displacement
图 6 各监测点间径向响应位移衰减量柱状图
Fig.6 Histogram of average radial response displacement attenuation of monitoring points
| （1） |
式中：——试样不同深度处径向响应位移；——表征位移幅值强度参数；——表征岩石响应位移的衰减系数；x——试样距离振动加载面的深度。
图7 不同时刻岩石表面径向响应位移随岩石深度拟合曲线
Fig.7 Fitting curves of radial response displacement of rock surface vs rock depth at different times
对不同时刻岩石径向位移与监测点深度进行拟合，可以计算出不同时刻超声波振动下岩石表面径向响应位移随岩石深度衰减的空间衰减系数。通过空间衰减系数可以更直观地比较岩石在超声波振动加载全过程中径向响应位移随岩石深度衰减的变化趋势。如
图8 岩石表面径向响应位移空间衰减系数发展
Fig.8 Variation curve of spatial attenuation coefficients of radial displacement on rock surface
如
将岩石抽象为Kelvin-Voigt粘弹性体，一维应力波幅值的空间衰减关系如
| （2） |
式中：——振幅；——振动频率；——应力波峰值随岩石深度衰减的空间衰减系数；——粘弹性体的空间响应波数。
（1）超声波振动下岩石表面径向响应位移在局部破碎发生前总体保持平稳，径向响应位移随岩石深度发生指数型衰减，空间衰减系数随振动时间可划分为3个阶段：加速回落阶段、回升稳定增长阶段、大幅突增阶段。
（2）岩石表面径向响应位移揭示了超声波振动下岩石损伤的发展模式，岩石损伤主要由振动头高频冲击岩石造成的Hertz锥形环状裂纹和超声波振动交变应力产生的疲劳拉伸裂纹造成，Hertz锥形环状裂纹的扩展深度为10 mm，疲劳损伤裂纹主要在10~20 mm深度处产生。
（3）超声波振动下岩石发生局部宏观破碎时存在明显的径向响应位移征兆，岩石表面径向响应位移可以作为超声波振动下的破坏判据。
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