砂巖單軸循環(huán)加卸載試驗及聲發(fā)射特征研究

王 昌，周宗紅

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

0 引言

自從聲發(fā)射技術出現(xiàn)之后就被廣泛應用在巖石破壞特性的研究當中。早在20世紀70年代江西鎢礦地壓研究中，就采用了聲波技術監(jiān)測礦山夾墻穩(wěn)定性[1]，在盤古山、鐵山垅鎢礦地壓研究中都應用了聲波探測和地音儀監(jiān)測技術[2]，趙奎等在地壓調(diào)查方法中提出可以利用聲波儀對巖體及礦柱的破壞程度進行監(jiān)測，有利于查明贛南鎢礦山地壓活動形成的原因[3]。

由于通過對巖石壓縮、拉伸和剪切條件下聲發(fā)射特性研究，可以建立聲發(fā)射與巖石力學特性之間的相關關系，確定巖石非穩(wěn)定裂隙的起點以及掌握巖石的屈服極限，推斷巖石內(nèi)部的性態(tài)變化，為聲發(fā)射監(jiān)測巖體穩(wěn)定性的提供理論依據(jù)，并使聲發(fā)射技術成為目前較常用較成熟的巖體監(jiān)測技術之一。國內(nèi)外許多專家、學者對巖石受各種應力破壞過程中的聲發(fā)射特征做出了大量的試驗研究，研究的結(jié)果表明，巖石的性質(zhì)、加載條件、受力狀態(tài)等都會對巖石破裂過程中的聲發(fā)射特征產(chǎn)生一定的影響。如許昭永等對單軸壓縮條件下的加載速率和聲發(fā)射特性的關系進行了研究[4]。萬志軍等對不同加載速率下巖石聲發(fā)射特征、加載速率和裂紋之間的關系進行了研究[5]。蔣海昆等研究了圍壓條件下巖石的變形破壞過程中的聲發(fā)射特征[6]。李遮林研究了單軸全過程加載、卸載過程中巖石材料在不同加載條件下變形破壞過程中的聲發(fā)射特征[7]。Mansurov將聲發(fā)射用于測量巖石破壞過程的信息，預測巖石的破壞類型[8]。Pestman等研究了三軸加載狀態(tài)下砂巖的聲發(fā)射特性以及Kaiser效應[9]。由于在生活中我們常常會遇見由于巖石受到循環(huán)荷載作用而造成的工程地質(zhì)災害，由于巖石在靜態(tài)荷載和循環(huán)荷載作用所表現(xiàn)出的破壞規(guī)律及聲發(fā)射現(xiàn)象存在明顯的差異，有必要對巖石在非靜態(tài)荷載作用下所表現(xiàn)出的破壞特性及聲發(fā)射現(xiàn)象做出更深入的研究，這將有助于人們進一步認識巖石的破壞機理，解讀聲發(fā)射信號的內(nèi)在含義以及確定巖石破壞有效的前兆判據(jù)，對于監(jiān)測、預報眾多的工程地質(zhì)災害有十分重要的意義。本文利用聲發(fā)射檢測儀對砂巖進行循環(huán)加載試驗，通過對試驗結(jié)果的分析，揭示了砂巖在循環(huán)加卸載過程中的強度變化及聲發(fā)射特性。

1 試驗條件及方案

試驗所用巖樣取自某礦區(qū)同一區(qū)域灰砂巖大型巖塊中，加工成直徑為50 mm×100 mm的圓柱體標準試樣，共6塊，精度要求滿足兩端不平行度小于0.02 mm，圓周和端面不垂直度小于0.02 mm。該試驗分為單軸壓縮、單軸循環(huán)加卸載兩組，每組3塊灰砂巖巖樣。

1.1 試驗制備

灰砂巖試樣分三部分進行制備加工，首先采用姜堰市蘇陽儀器機械廠生產(chǎn)的立式巖石取芯機進行取樣，然后采用自動巖石切割機將取出的圓柱形巖心切割成一定的規(guī)格，最后采用調(diào)速磨石機對切割后的巖樣進行打磨，使其滿足試驗要求。

由于這6塊巖樣均取自同一巖塊中，均質(zhì)性較好，巖樣重度均在2.71 g/cm3左右，離散度非常小，有利于研究灰砂巖在單軸循環(huán)加卸載作用下強度變化規(guī)律及聲發(fā)射特征規(guī)律。

1.2 試驗設備和方法

試驗在長春市朝陽試驗儀器有限公司生產(chǎn)的TAW-2000D微機控制電液伺服巖石三軸試驗機上進行，聲發(fā)射的采集由北京聲華科技有限公司所研制的SDAES數(shù)字聲發(fā)射檢測儀完成。

單軸壓縮試驗一次加載至巖樣破壞，同步采集巖石受壓變形破壞過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，加載速率為0.5 kN/s。單軸循環(huán)方式為根據(jù)砂巖單軸最大抗壓強度峰值，對第二組巖樣循環(huán)加載方式為對巖石試件做加載至單軸最大抗壓強度峰值的60%，然后卸載至最大抗壓強度峰值的10%后再重新進行加載直至巖樣破壞，加載方式為負荷加載，速度為0.5 kN/s。聲發(fā)射測試系統(tǒng)示意圖1所示。

圖1 聲發(fā)射測試系統(tǒng)示意圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 強度變化特征

對第一組灰砂巖進行單軸壓縮試驗，得到巖石的各項物理力學參數(shù)，見表1所示。

通過對第一組巖樣單軸壓縮試驗得出預估灰砂巖單軸抗壓強度峰值約為150 MPa。根據(jù)砂巖單軸最大抗壓強度峰值，對第二組（編號B1、B2、B3）巖樣循環(huán)，加載方式為對巖石試件做加載至設定上限→卸載至設定下限→重加載直至破壞。將循環(huán)加卸載的上限定為峰值應變的60%（90 MPa），下限定為峰值應變的10%（15 MPa）。圖2為B3巖樣的循環(huán)加卸載應力-應變曲線。B1、B2、B3巖樣的循環(huán)加卸載強度為 155.4 MPa、148.8 MPa、162.6 MPa，平均強度為155.6 MPa，略高于單軸抗壓預算強度150 MPa，由此可以看出灰砂巖試驗在壓縮至峰值強度之前卸載后再次加載時其應力-應變曲線的線性特征有所增加，強度略有提高。該試驗結(jié)論內(nèi)容與尤慶明[10]的試驗研究一文中得出的結(jié)論相一致。

表1 單軸壓縮巖樣物理力學參數(shù)

圖2 B3巖樣循環(huán)加卸載軸向應力-應變曲線

從圖2中可以看出巖樣在加載初期低壓時，曲線略向上彎曲呈上凹狀如圖中OA段所示，此時，巖樣內(nèi)部原始天然裂隙被壓密。在AB段，這個階段近似為直線，大致可看成線彈性。在OA、AB兩個階段中巖石的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化很小，有少量新生裂紋產(chǎn)生，在此后的卸載階段中，此后試件仍可恢復至最大變形的10%，說明試件仍在彈性變形階段，再次加載時，新生的裂紋開始閉合，巖樣內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)面接觸面積增大，增大了裂紋錯動時受到的摩擦力，使得巖樣的整體屈服強度得到一定的提高，所以巖樣在循環(huán)加卸載過程中屈服強度極限的提高可以從巖石內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)面的接觸面積增大來解釋。

從循環(huán)加卸載軸向應力-應變曲線可以看出卸載曲線與初始加載曲線偏離較小，重加載曲線幾乎與卸載重合，彈性模量沒有明顯變化，可以認為在加載過程中，試件內(nèi)集聚了大量的彈性勢能，只損耗少量的塑性能。

2.2 聲發(fā)射特征

巖石聲發(fā)射事件的發(fā)生是由巖石自身的內(nèi)部缺陷形成的微裂紋位錯運動引發(fā)的。聲發(fā)射是貫穿巖石等脆性材料在受外力作用直至破壞整個過程的聲學現(xiàn)象，其活動反映了巖石內(nèi)部微觀破壞的演化過程。因此聲發(fā)射技術總是被用來研究巖石內(nèi)部受力變形裂紋活動、破壞演化規(guī)律。

2.2.1 巖石單軸壓縮作用下試樣聲發(fā)射特性分析

從圖3中A3應力-時間-振鈴計數(shù)曲線和圖4中A3應力-時間-事件率曲線可以看出，試件A3在加載初期有較多聲發(fā)射事件產(chǎn)生，且有峰值產(chǎn)生，但是從圖5AE能量-應力-時間曲線圖中可以看出，這些聲發(fā)射事件能量很低，這可能由于試件表面應力集中產(chǎn)生的。在176 s時出現(xiàn)了第一次應力波動，產(chǎn)生了較高的聲發(fā)射，這表明大的貫通裂隙已經(jīng)形成。此時應力值為88 MPa，達到峰值應力的59%，其后，聲發(fā)射活動維持在較高的水平。這是由于隨著應力的增加，試件內(nèi)部裂隙發(fā)育，持續(xù)產(chǎn)生貫通裂隙，在達到峰值應力后，試件完全崩裂，應力迅速下降，峰后階段持續(xù)時間也很短。

圖3 A3聲發(fā)射的應力-時間-振鈴計數(shù)曲線

圖4 A3應力-時間-事件率曲線

圖5 A3聲發(fā)射AE能量-應力-時間曲線

2.2.2 巖石循環(huán)加卸載作用下試驗聲發(fā)射特性分析

圖6 聲發(fā)射的應力-時間-振鈴計數(shù)曲線

圖7 巖樣聲發(fā)射AE能量-應力-時間曲線

在對巖樣循環(huán)加卸載的條件下所獲得的巖樣聲發(fā)射的應力-時間-振鈴計數(shù)曲線如圖6所示，圖7為單軸循環(huán)加卸載條件下巖樣聲發(fā)射AE能量-應力-時間曲線。從圖6、圖7可以看出，在巖石在加卸載各個階段，其聲發(fā)射隨應力變化具有如下特征：（1）巖樣壓密階段（O～A段），基本上沒有聲發(fā)射發(fā)生，釋放的能量極少，說明巖樣天然裂紋被壓密的過程中，有微弱的彈性波釋放出來；（2）彈性變形階段（A～C段），當加載至B點時聲發(fā)射撞擊數(shù)急劇增加，可知巖樣內(nèi)部產(chǎn)生初始裂紋，但隨著加載時間的變化，聲發(fā)射撞擊數(shù)沒有變化，表明裂痕未立即擴展，而隨著加載能量蓄積，在第一次加載應力達到90 MPa時，裂紋開始出現(xiàn)擴展現(xiàn)象，此時巖樣內(nèi)部積蓄的彈性能得以釋放出來；（3）巖樣卸載階段（C～D段），在此階段無聲發(fā)射發(fā)生現(xiàn)象，證明出該灰砂巖無Felicity效應產(chǎn)生；（4）巖樣二次加載階段（D～E段），在此階段可以看出巖樣在二次加載時應力到達上次加載最大應力前僅極少聲發(fā)射事件發(fā)生，而加載應力值達到上次加載最大應力以后產(chǎn)生大量新的聲發(fā)射事件，這充分驗證了Kaiser效應。在二次施加的荷載達到破壞荷載的75%～90%時，試件進入了裂隙發(fā)展階段，聲發(fā)射活動進入活躍期，同時巖樣產(chǎn)生裂紋及裂紋擴展時所釋放的能量也在不斷增大，在這個階段內(nèi)，由于試件內(nèi)部微小裂隙快速增加，裂隙逐漸集聚在斷裂面附近，彼此之間的間距也由于新裂紋的產(chǎn)生和擴展而縮小，加速了裂紋之間的貫通，當加載應力達到E點時，裂紋之間達到完全貫通，巖樣發(fā)生軸向劈裂，釋放的能量達到最大值，破裂是瞬間產(chǎn)生的，同時伴隨著響聲，也進一步說明了灰砂巖的脆性較大。

3 結(jié)論

通過對灰砂巖的單軸循環(huán)加卸載試驗，得出灰砂巖在該試驗條件下的結(jié)論：

（1）巖樣在循環(huán)加卸載作用下，同樣伴隨著巖樣內(nèi)部原始天然裂隙的壓密、新生裂紋的產(chǎn)生、擴展和貫通，同時伴隨著聲發(fā)射不斷產(chǎn)生。

（2）巖樣在循環(huán)加卸載作用下，在壓縮至峰值強度之前卸載后再次加載時其應力-應變曲線的線性特征有所增加，強度略有提高。

（3）巖樣在經(jīng)過卸載后二次加載時應力到達上次加載最大應力前僅極少聲發(fā)射事件發(fā)生，而加載應力值達到上次加載最大應力以后產(chǎn)生大量新的聲發(fā)射事件，證明巖樣在循環(huán)加卸荷作用下存在聲發(fā)射Kaiser效應，而無Felicity效應產(chǎn)生。巖石破裂是瞬間產(chǎn)生的，同時伴隨著響聲，也進一步說明了灰砂巖的脆性較大。

[1]丁嘉榆.應用聲波法監(jiān)測鎢礦夾墻穩(wěn)定性[J].金屬礦山，1981，（8）：19-23.

[2]甘宗安，鐘佑康，邵億生，等.鐵山壟鎢礦地壓活動規(guī)律及空區(qū)處理研究[J].有色金屬，1983，35（2）：1-9.

[3]趙 奎，楊濤波，張東煒，等.贛南鎢礦山地壓調(diào)查及評價方法[J].有色金屬科學與工程，2011，2（3）：47-50.

[4]許昭永，包一峰，舒燕華，等.單軸試驗時的加載速率與聲發(fā)射特性[J].地震研究，1985，8（6）：701-708.

[5]萬志軍，李學華，劉長友.加載速率對巖石聲發(fā)射活動的影響[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學報，2001，20（4）：469-471.

[6]蔣海昆，張 流，周永勝.不同圍壓條件下花崗巖變形破壞過程中的聲發(fā)射時序特征[J].地球物理學報，2000，43（6）：812-826.

[7]李庶林，唐海燕.不同加載條件下巖石材料破裂過程的聲發(fā)射特性研究[J].巖土工程學報，2010，32（1）：147-152.

[8]MANSUROV V A.Acoustic emission from failing rock behaviour[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，1994，27（3）：173－182.

[9]PESTMAN B J，VAN MUNSTER J G.An acoustic emission study of damage development and stress-memory effects in sandstone[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences&Geomechanics Abstracts，1996，33（6）：585-593.

[10]尤明慶，蘇承東.大理巖試樣循環(huán)加載強化作用的試驗研究[J].固體力學學報，2008，29（1）：66-72.