單軸壓縮下高溫后砂巖的聲發(fā)射特征

吳 剛 ，王德詠，翟松韜

（1. 上海交通大學(xué) 海洋水下工程科學(xué)研究院，上海 200231；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；3. 上海交通大學(xué) 土木工程系，上海 200240）

1 引 言

諸多巖石工程，如核廢料處置、煤與油頁(yè)巖的現(xiàn)場(chǎng)氣化、深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采及地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)等，均涉及高溫巖石力學(xué)問(wèn)題。高溫會(huì)改變巖石結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致巖石強(qiáng)度和變形特性發(fā)生變化。聲發(fā)射技術(shù)是研究巖石類材料失穩(wěn)、破裂及演化過(guò)程的一個(gè)良好工具，已被廣泛應(yīng)用于巖石類材料破裂失穩(wěn)機(jī)制的研究。因此，開(kāi)展溫度作用下巖石的聲發(fā)射特性研究具有學(xué)術(shù)與工程應(yīng)用價(jià)值。

有關(guān)巖石破壞過(guò)程的聲發(fā)射特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，取得了豐碩的研究成果[1－5]；近十余年來(lái)，巖石聲發(fā)射的研究領(lǐng)域也得到進(jìn)一步拓展。吳剛等[6]通過(guò)對(duì)加、卸荷應(yīng)力狀態(tài)下的聲發(fā)射試驗(yàn)，研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石類材料破壞的聲發(fā)射特性。唐春安等[7]運(yùn)用巖石破裂過(guò)程分析 RFPA2D系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)巖石試樣中預(yù)置的傾斜裂紋擴(kuò)展過(guò)程的數(shù)值模擬，研究了材料非均勻性對(duì)巖石介質(zhì)中裂紋擴(kuò)展模式（聲發(fā)射和"巖橋"現(xiàn)象）的影響。蔣海昆等[8]研究了高圍壓和不同溫度條件下花崗巖變形破壞及聲發(fā)射時(shí)序特征。李庶林等[9]對(duì)單軸受壓巖石破壞全過(guò)程進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，得到巖石破壞全過(guò)程力學(xué)特征和聲發(fā)射特征，研究了聲發(fā)射事件數(shù)(AE數(shù))、事件率與應(yīng)力、時(shí)間之間的關(guān)系。尹賢剛等[10]通過(guò)對(duì)巖石單軸受壓破壞的聲發(fā)射試驗(yàn)，建立了巖石破壞聲發(fā)射強(qiáng)度分維模型。李俊平等[11]在單軸壓縮條件下, 分別討論了4種巖石在考慮滲流和不考慮滲流條件下的聲發(fā)射特征。張淵等[12]在實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫度影響下巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了初步的研究和探討。Cai等[13]提出一種利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合有限元應(yīng)力分析對(duì)巖體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演的新方法，其反算的巖體強(qiáng)度參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果相符合。Ganne等[14]利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)巖石峰值前的脆性破壞進(jìn)行了研究，給出了整個(gè)過(guò)程中累積聲發(fā)射能量的4個(gè)過(guò)程。趙興東等[15]應(yīng)用聲發(fā)射及其定位技術(shù)，對(duì)單軸壓縮載荷下花崗巖破裂失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行了研究。趙奎等[16]通過(guò)單軸壓縮巖石聲發(fā)射試驗(yàn)，確定了Kaiser點(diǎn)并進(jìn)行了小波分析。武晉文等[17]通過(guò)試驗(yàn)研究了花崗巖在三軸壓力狀態(tài)下聲發(fā)射在中高溫（400 ℃以下）作用下的變化規(guī)律。He等[18]在室內(nèi)對(duì)真三軸卸荷狀態(tài)下石灰?guī)r巖爆過(guò)程的聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究。周小平等[19]采用混沌動(dòng)力學(xué)理論研究了巖石的聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律。

本文通過(guò)對(duì)經(jīng)受不同高溫作用后焦作砂巖在單軸壓縮下所進(jìn)行的聲發(fā)射測(cè)試，分析了經(jīng)歷不同溫度后砂巖的聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律以及高溫后砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變與聲發(fā)射率的關(guān)系，對(duì)高溫后砂巖強(qiáng)度與聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了初步探討。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)所用巖樣為取自河南焦作的砂巖，主要成分為石英、長(zhǎng)石、云母、炭質(zhì)、方解石及菱鐵礦等。將其加工成高為100 mm，直徑為50 mm的圓柱體。其溫度劃分、編號(hào)及加溫過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。結(jié)合高溫后焦作砂巖的力學(xué)性能，本文對(duì)其中38個(gè)巖樣的聲發(fā)射特征參量進(jìn)行對(duì)比分析。

利用RMT-150B型巖石力學(xué)多功能試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行高溫后砂巖的單軸壓縮破壞試驗(yàn)，同時(shí)通過(guò)美國(guó)PAC公司的LOCAN320聲發(fā)射儀采集聲發(fā)射信息。高溫后砂巖的單軸壓縮破壞試驗(yàn)均采用位移控制模式。試驗(yàn)中設(shè)定聲發(fā)射儀的主放為35 dB，門檻值為45 dB。

試驗(yàn)中聲發(fā)射采用單通道采集數(shù)據(jù)，聲發(fā)射探頭位于巖樣中部，探頭與巖樣之間以凡士林作為耦合劑，并用膠帶固定于巖石之上，如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of AE monitoring system

3 高溫后砂巖的聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)

焦作砂巖受溫度作用后的聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖2所示。圖3為不同溫度下砂巖的振鈴累計(jì)數(shù)變化關(guān)系。

從圖2、3可以看出：① 經(jīng)歷100 ℃后，砂巖的聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)最小，表明此時(shí)巖樣由于熱應(yīng)力作用致使內(nèi)部缺陷有一定程度的愈合，受壓后內(nèi)部裂紋擴(kuò)展較為緩慢。②經(jīng)歷100～400 ℃后，砂巖的振鈴累計(jì)數(shù)不斷增加，說(shuō)明隨溫度升高，在壓力作用下砂巖內(nèi)部裂紋不斷發(fā)展；400 ℃后，振鈴累計(jì)數(shù)達(dá)到最大值。③600 ℃后，砂巖的聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)較400 ℃急劇降低，可能是由于熱熔效應(yīng)導(dǎo)致砂巖內(nèi)部部分裂紋閉合，致使裂紋數(shù)量下降。④800～1 200 ℃后，砂巖的振鈴累計(jì)數(shù)均有不同程度的增加。其中1 200 ℃后，砂巖聲發(fā)射累計(jì)數(shù)最大，表明高溫致使砂巖高度劣化，產(chǎn)生宏觀裂縫，受壓后裂紋急劇擴(kuò)展。

4 受壓下高溫后砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變與聲發(fā)射率

試驗(yàn)結(jié)果表明：受壓下砂巖應(yīng)力峰值前的變形主要以裂紋為主導(dǎo)的變形，變形后與結(jié)構(gòu)破壞位置對(duì)應(yīng)，與砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的壓密階段、彈性變形階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段、破壞階段相對(duì)應(yīng)，聲發(fā)射活動(dòng)也均有不同的特征，一般聲發(fā)射的特性也可分為4個(gè)階段：在微裂紋壓密（能量吸收）過(guò)程中，由于巖石的各向異性及非均勻性，有極少量的聲發(fā)射信號(hào)；彈性變形階段，聲發(fā)射幾乎不產(chǎn)生，裂隙閉合后，巖樣微裂紋萌生，聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)并小幅度上升；隨后，砂巖內(nèi)部裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，聲發(fā)射信號(hào)明顯增加，巖石微裂紋劇烈擴(kuò)展；當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射率出現(xiàn)峰值；然后裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致巖樣失穩(wěn)破壞。

圖2 高溫后砂巖聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)與應(yīng)變（時(shí)間）的關(guān)系Fig.2 Relations of strain (time)and ring-down accumulation counts for sandstone after high temperatures

圖3 不同溫度下砂巖聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)的變化Fig.3 Changes of ring-down accumulation counts for sandstone after different temperatures

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出20～1 200 ℃溫度作用后焦作砂巖在單軸壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率的典型關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可看出，最強(qiáng)的聲發(fā)射信號(hào)主要發(fā)生在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近，這意味著砂巖內(nèi)部能量的突然釋放。高溫后焦作砂巖受壓下的力學(xué)狀態(tài)與聲發(fā)射表現(xiàn)為：①在20～600 ℃后，砂巖呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。150～200 ℃后，砂巖在達(dá)到應(yīng)力峰值前聲發(fā)射信號(hào)較為穩(wěn)定，砂巖內(nèi)部裂紋呈穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。400 ℃以前，不同溫度下振鈴計(jì)數(shù)率變化不大，這恰好印證了400 ℃以內(nèi)溫度對(duì)砂巖力學(xué)性能影響不大的結(jié)論[20]。400 ℃溫度作用后，砂巖脆性增強(qiáng)，峰值強(qiáng)度達(dá)到最大，聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)也達(dá)到最大值。②600 ℃以后，砂巖的聲發(fā)射率增強(qiáng)，800 ℃以后，砂巖呈塑性變形，在峰值強(qiáng)度以后砂巖的聲發(fā)射現(xiàn)象明顯。經(jīng)歷800 ℃后，砂巖應(yīng)變達(dá)到最大處其聲發(fā)射顯著，表明砂巖塑性增強(qiáng)。經(jīng)歷1 200 ℃高溫后，由于砂巖已高度劣化，具有宏觀裂紋，呈塑性破壞特征，加載初期就出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)，殘余變形階段還釋放出密集的聲發(fā)射信號(hào)。

圖4 高溫后砂巖應(yīng)力-應(yīng)變-振鈴計(jì)數(shù)率關(guān)系曲線Fig.4 Relations of strain-stress and ring-down count rate for sandstone after high temperatures

5 高溫后砂巖的強(qiáng)度與聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)

圖5為經(jīng)歷20～1 200 ℃溫度作用后焦作砂巖的平均聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)與平均單軸抗壓強(qiáng)度的變化情況。

通過(guò)計(jì)算分析可知：20 ℃時(shí)，砂巖的振鈴累計(jì)數(shù)為4.90×106；從20～100 ℃，AE振鈴累計(jì)數(shù)下降了70.17%，降至1.46×106，而單軸強(qiáng)度上升13.65%；100～150 ℃，AE振鈴累計(jì)數(shù)上升379%，單軸強(qiáng)度下降1.37%；150～200 ℃，AE振鈴累計(jì)數(shù)變化不明顯，僅下降1.73%，而單軸強(qiáng)度下降7.37%；200～400 ℃，AE振鈴累計(jì)數(shù)上升249%，單軸強(qiáng)度上升17.36%；400～600 ℃，AE振鈴累計(jì)數(shù)下降76.64%，而單軸強(qiáng)度下降23.19%；600～800 ℃，AE振鈴累計(jì)數(shù)上升68.0%，而單軸上升3.52%；800～1 000 ℃，AE振鈴累計(jì)數(shù)上升89.5%，而單軸強(qiáng)度下降6.2%；1 000～1 200 ℃，AE振鈴累計(jì)數(shù)上升27.5%，并達(dá)到最大值即22.81×106，而單軸強(qiáng)度下降84.6%。在100 ℃和600 ℃后，砂巖的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)突變性均較大，試樣內(nèi)部裂紋較為穩(wěn)定，100 ℃聲發(fā)射現(xiàn)象下降是由于高溫導(dǎo)致內(nèi)部裂紋的閉合，砂巖峰值強(qiáng)度也有所升高，600 ℃后聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)再次下降，說(shuō)明砂巖礦物結(jié)構(gòu)在高溫下發(fā)生了一定的變化。400℃后，砂巖的單軸強(qiáng)度和振鈴累計(jì)數(shù)均達(dá)到最高值。

圖5 高溫后砂巖的平均單軸抗壓強(qiáng)度與平均振鈴累計(jì)數(shù)Fig.5 Relations of average uniaxial compressive strength and cumulative ring-down counts for sandstone after high temperatures

600 ℃和800 ℃作用后，高溫導(dǎo)致砂巖的礦物成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，焦作砂巖的強(qiáng)度呈現(xiàn)分化。圖 6為砂巖 600℃后 (6個(gè)巖樣)和 800℃后(6個(gè)巖樣)的振鈴累計(jì)數(shù)與抗壓強(qiáng)度的對(duì)比情況。

圖6 600 ℃及800 ℃后砂巖振鈴累計(jì)數(shù)和抗壓強(qiáng)度對(duì)比Fig.6 Relations of uniaxial compressive strength and cumulative ring-down counts for sandstone after 600 ℃ and 800 ℃

由圖6可知，600 ℃后砂巖的聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)最低為1.88×106，最高為1.2×107；抗壓強(qiáng)度最低為108.9 MPa，最高為169.9 MPa；具有顯著規(guī)律即砂巖的聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)和抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性較明顯，表現(xiàn)為振鈴累計(jì)數(shù)越高，單軸抗壓強(qiáng)度越低，振鈴累計(jì)數(shù)呈下降趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)[21]中抗壓強(qiáng)度與聲發(fā)射呈正相關(guān)性的結(jié)論有所不同。800 ℃后砂巖的聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)最低為 1.0×106，最高為3.5×107；抗壓強(qiáng)度最低為 81.354 MPa，最高為191.03 MPa；隨振鈴累計(jì)數(shù)的上升，抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不明顯。

6 結(jié) 論

（1）高溫后砂巖在單軸壓力下有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，高溫對(duì)砂巖的聲發(fā)射影響較大。

（2）100、600 ℃作用后的砂巖聲發(fā)射累計(jì)數(shù)明顯降低，初步推斷100 ℃是砂巖裂紋擴(kuò)展發(fā)育的門檻值，600 ℃是高溫導(dǎo)致砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)成分發(fā)生變化的門檻值。

（3）從20～1 000 ℃，隨著溫度升高，砂巖塑性逐漸增大，脆性減弱；砂巖出現(xiàn)較明顯的聲發(fā)射信號(hào)延遲現(xiàn)象。

（4）1 200 ℃后，巖樣呈明顯塑性破壞特征，加載至巖石破壞一直伴隨著強(qiáng)烈的聲發(fā)射信號(hào)，由此可見(jiàn)，高溫對(duì)砂巖裂紋的擴(kuò)展有明顯的影響。

（5）600、800 ℃后，砂巖的強(qiáng)度出現(xiàn)分化；600 ℃后砂巖的聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)隨強(qiáng)度增高而減少；800 ℃后砂巖的聲發(fā)射與強(qiáng)度無(wú)規(guī)律性。

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