現(xiàn)場巖體直剪試驗聲發(fā)射特征及其破壞機(jī)制

范 雷，周火明，熊詩湖

(長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

巖體是一種復(fù)雜的介質(zhì)，是由巖橋和結(jié)構(gòu)面組成的混合體。巖體內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展是造成巖體破裂失穩(wěn)的直接因素，諸多巖體工程結(jié)構(gòu)的破壞均與裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展相關(guān)。

聲發(fā)射是研究脆性材料損傷演化的良好工具，能夠連續(xù)、實時地監(jiān)測脆性物體內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。因此，可利用它來研究巖體的損傷、破壞過程［1－3］。近年來，對于巖石聲發(fā)射特性的研究己經(jīng)有大量成果發(fā)表，如Rudajev對巖石應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程的聲發(fā)射特征進(jìn)行室內(nèi)研究［4］;SETO M對巖石聲發(fā)射進(jìn)行了循環(huán)加載試驗研究［5］;COX S J D研究了巖石微裂隙的形成、巖石軟化與聲發(fā)射的關(guān)系［6］;CHANG S H通過聲發(fā)射實時監(jiān)測對三軸受壓狀態(tài)下巖石裂紋擴(kuò)展破壞機(jī)制進(jìn)行了研究［7］;張流、施良騏等對高圍壓下巖石破壞和摩擦滑動過程中的聲發(fā)射活動性進(jìn)行了分析［8］;唐春安等通過數(shù)值方法對巖石的聲發(fā)射規(guī)律進(jìn)行探討［9－10］;劉東燕等對含裂隙巖石受壓破壞的聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究［11］;吳剛等對巖石類材料加、卸載以及不同卸載方式的聲發(fā)射特征進(jìn)行研究［12］;蔣宇等對巖石疲勞破壞過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究［13］;李庶林等對3種不同巖石單軸受壓巖石破壞全過程中的聲發(fā)射特征進(jìn)行研究［14］;張暉輝等在三軸應(yīng)力條件下進(jìn)行了大尺度巖石(片麻巖)破壞聲發(fā)射實驗［15］;張茹等研究了花崗巖單軸多級加載巖石破壞聲發(fā)射特性［16］;余賢斌等對砂巖和石灰?guī)r巖樣進(jìn)行直接拉伸、劈裂與單軸壓縮試驗的聲發(fā)射規(guī)律進(jìn)行研究［17］;趙興東等采用聲發(fā)射定位技術(shù)對巖石裂紋的動態(tài)演化過程進(jìn)行了研究［18－20］;劉?？h等對重塑煤樣單軸壓縮變形損傷及聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究［21］;呂森鵬等研究了巖石破壞的全過程并進(jìn)行聲發(fā)射特征分析等［22］。通過這些研究，對巖石的破壞過程已經(jīng)得到了一些規(guī)律性的認(rèn)識:巖石試件加載初期微裂紋的發(fā)生具有彌散特性，廣泛分布于試件體內(nèi)，隨著載荷的增加，微裂紋的演化逐漸局部化——在試件的某一區(qū)域內(nèi)，微裂紋密度增大，某些微裂紋可能聚合成更大的裂紋，宏觀裂紋開始形成，并且在一定的條件下擴(kuò)展從而導(dǎo)致宏觀破壞。

但是，盡管應(yīng)用聲發(fā)射對巖石破裂過程的研究取得了諸多成果，而由于受到觀測條件和設(shè)備性能的限制，實時觀測及定量分析現(xiàn)場工程巖體裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展過程的研究還較少。本文采用美國PAC公司的最新聲發(fā)射系統(tǒng)，對節(jié)理巖體現(xiàn)場直剪試驗過程進(jìn)行聲發(fā)射測試，探討了現(xiàn)場巖體直剪破壞過程的聲發(fā)射特性，揭示了節(jié)理巖體的破壞機(jī)制。

2 現(xiàn)場直剪試驗過程聲發(fā)射測試

2.1 聲發(fā)射探頭布置

現(xiàn)場直剪試驗結(jié)果如下:巖體巖性為隱晶質(zhì)玄武巖及含斑玄武巖，斑晶及微晶為斜長石、輝石，基質(zhì)為玄武玻璃，節(jié)理發(fā)育。試驗布置于洞室側(cè)壁，剪切面鉛直。試件尺寸為:長50 cm×寬50 cm×高40 cm，剪切面積2 500 cm2。

聲發(fā)射測試試驗采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的SAMOS聲發(fā)射系統(tǒng)，由傳感器、放大器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3部分組成。使用的傳感器為R6IAST一體化探頭，主頻60 kHz。通過對巖體直剪過程中聲發(fā)射信號的多通道高速采集、數(shù)據(jù)處理和實時分析，可實現(xiàn)聲發(fā)射信號特征參數(shù)、頻譜特性分析以及聲發(fā)射事件的空間定位分析。

由于直剪試驗巖體破裂位置主要發(fā)生于剪切面位置，因此現(xiàn)場共布設(shè)3個R6I－AST探頭:2個探頭布置于試樣頂面，1個布置于試樣側(cè)面。在監(jiān)測聲發(fā)射信號在剪應(yīng)力增加過程中變化規(guī)律的同時，對其進(jìn)行平面定位。現(xiàn)場布置圖如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射探頭布置圖Fig.1 Positions of AE sensors

2.2 巖體直剪試驗過程

節(jié)理巖體直剪試驗的法向應(yīng)力2.65 MPa，采用千斤頂分2次施加，加荷后立即讀數(shù)，以后每隔5 min讀數(shù) 1次，當(dāng)連續(xù) 2次讀數(shù)之差不超過0.01 mm時，即認(rèn)為穩(wěn)定。剪切荷載按預(yù)估最大剪切荷載分12級施加，每隔5 min加荷1次，加荷前后均需測讀各測表讀數(shù)。

節(jié)理巖體現(xiàn)場直剪試驗剪應(yīng)力－剪切位移曲線如圖2所示。

圖2 剪切應(yīng)力－剪切位移曲線Fig.2 Curve of shear stress vs.shear displacement

3 聲發(fā)射信號特性分析

3.1 聲發(fā)射信號時序特征

在現(xiàn)場直剪試驗開始施加剪切荷載時，開始對試樣的聲發(fā)射信號進(jìn)行采集。整個現(xiàn)場直剪試驗過程共持續(xù)約4 700 s，即大約78 min左右。

試驗過程中單個探頭的聲發(fā)射信號單位時間撞擊率如圖3所示。其中主要橫坐標(biāo)為剪應(yīng)力，次要橫坐標(biāo)軸為試驗時間，縱坐標(biāo)表示聲發(fā)射信號的撞擊率。根據(jù)圖3可發(fā)現(xiàn)，在直剪試驗過程中每隔5 min，施加一次荷載，因此每隔300 s，聲發(fā)射信號就會有一次突發(fā)，并且隨著巖體內(nèi)部應(yīng)力的調(diào)整平衡，聲發(fā)射信號也逐漸消減。隨著剪切應(yīng)力的增加，每級加載后聲發(fā)射信號也不斷增多，并在剪切應(yīng)力達(dá)到試樣抗剪斷強(qiáng)度時，聲發(fā)射信號達(dá)到最多。

圖3 聲發(fā)射信號撞擊率變化曲線Fig.3 History of AE hit rate

根據(jù)試驗過程中巖體聲發(fā)射信號撞擊率的變化規(guī)律，試樣的剪切破壞過程可分為彈性變形階段、起裂階段、擴(kuò)展階段和破壞階段4個階段。

3.2 巖體破壞聲發(fā)射信號頻譜特性

現(xiàn)場直剪試驗過程中，節(jié)理巖體聲發(fā)射信號典型波形圖如圖4所示。通過FFT(快速傅立葉變換)計算出聲發(fā)射信號的頻譜如圖5所示。

根據(jù)圖5可得，節(jié)理巖體破壞聲發(fā)射源主頻范圍為40～120 kHz。

圖4 巖體破壞聲發(fā)射信號典型波形圖Fig.4 Typical AE waveform acquired from the jointed rockmass

圖5 巖體破壞聲發(fā)射信號典型頻譜圖Fig.5 Typical AE frequency spectrum acquired from the jointed rockmass

圖6 聲發(fā)射事件累積曲線Fig.6 The cumulative curve of AE events

4 節(jié)理巖體破壞過程分析

聲發(fā)射事件定位主要是通過不同位置的傳感器拾取P(S)波到達(dá)的時間差來反演巖石破裂源位置，應(yīng)用定位算法來反演聲發(fā)射事件位置，通過此時間差和位置差，應(yīng)用蓋格爾算法反演聲發(fā)射源位置，進(jìn)而實現(xiàn)聲發(fā)射事件定位。

節(jié)理巖體現(xiàn)場直剪破壞過程中，聲發(fā)射事件的累積曲線如圖6所示。在前400 s剪應(yīng)力施加至1.73 MPa時，無聲發(fā)射事件，巖體處于彈性變形階段;當(dāng)2 135 s剪應(yīng)力施加至4.33 MPa時，聲發(fā)射事件較少，內(nèi)部僅有極少量的裂紋產(chǎn)生，巖體處于微裂紋起裂階段;當(dāng)試驗時間到達(dá)4 000 s，剪應(yīng)力為5.63 MPa時，聲發(fā)射事件緩慢增加，巖體內(nèi)部裂紋不斷擴(kuò)展，巖體處于微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段。在此之后，巖體進(jìn)入破壞階段，巖體內(nèi)部聲發(fā)射事件則大量增加，微裂紋迅速擴(kuò)展貫通，剪切應(yīng)力達(dá)到其峰值強(qiáng)度。

圖7 直剪試驗過程中聲發(fā)射定位結(jié)果Fig.7 Test results of AE events location during shear test

節(jié)理玄武巖現(xiàn)場直剪試驗中，不同剪應(yīng)力水平巖體微破裂平面定位如圖7所示。根據(jù)圖7和圖3可知，當(dāng)剪切應(yīng)力施加至第3級2.17 MPa時，巖體開始出現(xiàn)微破裂，并且微破裂位于剪切面右部，即巖體在施加剪切荷載的后端最先出現(xiàn)微破裂。隨著剪切荷載的增加，聲發(fā)射事件緩慢增加，并且?guī)r體內(nèi)部產(chǎn)生微破裂的位置也逐漸前移(圖7(b)至(g))。通過微裂紋穩(wěn)定發(fā)展這一階段，微破裂基本上布滿整個剪切面。由剪切荷載施加第14級5.63 MPa開始，聲發(fā)射事件開始大量增加，微破裂發(fā)生的位置則集中剪切面局部，直至形成宏觀的破裂面(圖7(h)至(j))。施加剪切荷載5.63 MPa至5.72 MPa這一階段則對應(yīng)于巖體局部破裂化過程。

試樣破壞后，剪切面狀況如圖8所示。通過試樣破壞后剪切面照片與聲發(fā)射事件定位圖對比分析，可以明確看到，在剪切面左上角，發(fā)生巖體剪切破壞，聲發(fā)射事件也最為集中。其次，在右下角也發(fā)生巖體局部剪切破壞，同樣也得到一個聲發(fā)射集中區(qū)。

圖8 試樣破壞面照片F(xiàn)ig.8 Photograph of the failure surface of the sample

5 結(jié)論

(1)在現(xiàn)場直剪試驗過程中，節(jié)理巖體聲發(fā)射現(xiàn)象隨著剪切應(yīng)力的增加不斷增多，在剪應(yīng)力達(dá)到其峰值強(qiáng)度前聲發(fā)射信號最多。

(2)節(jié)理巖體破壞過程中，聲發(fā)射信號的主頻范圍為40～120 kHz。

(3)節(jié)理巖體現(xiàn)場直剪破壞過程可分為4個階段:彈性變形階段，無聲發(fā)射事件;起裂階段，聲發(fā)射事件很少，巖體內(nèi)部僅有少量的裂紋產(chǎn)生;擴(kuò)展階段，聲發(fā)射事件緩慢增加，巖體內(nèi)部微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展;破壞階段，聲發(fā)射事件大量增加，微裂紋迅速擴(kuò)展貫通，巖體出現(xiàn)宏觀破裂。

(4)節(jié)理巖體剪切破壞過程中，施加剪切荷載的后端最先出現(xiàn)微破裂，并隨著剪切應(yīng)力的增加逐漸向施加剪切荷載的前端靠近。當(dāng)巖體進(jìn)入破裂貫通階段后，微破裂則集中于剪切面局部，巖體產(chǎn)生局部破裂化。

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