基于離散元方法的花崗巖單軸壓縮破裂過(guò)程的聲發(fā)射特性

劉洪磊,王培濤,楊天鴻,徐 濤,于慶磊,夏 冬

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110819;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;3.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽(yáng) 110819;4.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北唐山 063009)

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基于離散元方法的花崗巖單軸壓縮破裂過(guò)程的聲發(fā)射特性

劉洪磊1,3,王培濤1,2,楊天鴻1,3,徐 濤1,3,于慶磊1,3,夏 冬4

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110819;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;3.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽(yáng) 110819;4.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北唐山 063009)

摘 要:結(jié)合花崗巖單軸壓縮下聲發(fā)射特性室內(nèi)試驗(yàn),采用顆粒流數(shù)值模擬試驗(yàn),對(duì)加載過(guò)程中聲發(fā)射特性進(jìn)行了監(jiān)測(cè),探討了單軸壓縮下的荷載大小與聲發(fā)射累積數(shù)的變化關(guān)系,分析了峰值強(qiáng)度前割線模量的變化規(guī)律。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):加載過(guò)程中,試件內(nèi)部最早出現(xiàn)剪切裂紋,隨著顆粒單元內(nèi)部應(yīng)力增加,逐漸出現(xiàn)拉伸裂紋;單軸壓縮不同荷載階段對(duì)應(yīng)了4個(gè)不同的聲發(fā)射釋放階段,峰值強(qiáng)度后期出現(xiàn)大量振鈴,且累積數(shù)較峰值強(qiáng)度前的累積數(shù)高;試件的彈性模量變化幅度隨模擬時(shí)間步增大而逐漸降低,于某特定值浮動(dòng)。研究成果可為巖石聲發(fā)射特征研究提供參考。

關(guān)鍵詞:單軸壓縮;破壞機(jī)制;聲發(fā)射;顆粒流方法

責(zé)任編輯:許書(shū)閣

劉洪磊,王培濤,楊天鴻,等.基于離散元方法的花崗巖單軸壓縮破裂過(guò)程的聲發(fā)射特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(8):1790-1795.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1779

隨著人類(lèi)對(duì)資源需求量的日益增加,礦山開(kāi)采深度不斷增加,圍巖變形、破壞等問(wèn)題日益突出,開(kāi)展巖石力學(xué)特性研究,分析巖石破壞機(jī)理,具有重要的理論研究意義及工程應(yīng)用價(jià)值。隨著計(jì)算機(jī)性能的大幅提高,數(shù)值試驗(yàn)手段越來(lái)越多地應(yīng)用到巖石力學(xué)研究中。利用數(shù)值試驗(yàn)手段可以突破傳統(tǒng)巖石力學(xué)試驗(yàn)觀測(cè)難、分析難、重復(fù)難等弊端,逐漸成為研究巖石材料常用的手段。Min等[1]利用UDEC方法衡量巖石的變形性質(zhì),并就裂隙巖體等效柔度張量問(wèn)題進(jìn)行了闡述。陳衛(wèi)忠等[2]應(yīng)用有限元方法研究了巖石的變形模量、單軸抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。朱萬(wàn)成等[3]基于RFPA2D方法確定了節(jié)理巖石材料表征單元體特征。

由于本構(gòu)關(guān)系的限制,傳統(tǒng)的有限元方法主要從分析材料表觀性狀入手,忽略了微細(xì)結(jié)構(gòu)的環(huán)節(jié),因此在深入解釋力學(xué)現(xiàn)象上仍存在一定不足。離散元方法引入了微細(xì)級(jí)別的結(jié)構(gòu)參數(shù),能夠反映材料微細(xì)結(jié)構(gòu)特征,在理論上比純宏觀本構(gòu)模型前進(jìn)了一步。通過(guò)研究巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化和各種狀態(tài)的變化規(guī)律,建立具有微細(xì)結(jié)構(gòu)變化特征的關(guān)系,可為巖體宏觀理論提供重要的依據(jù),有利于深入認(rèn)識(shí)巖體的力學(xué)行為和工程現(xiàn)象的本質(zhì)。顆粒流方法(PFC2D)作為離散元的一種,以剛性圓盤(pán)為分析對(duì)象,從顆粒單元力學(xué)行為分析整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征和響應(yīng),可以應(yīng)用到大應(yīng)變、破裂擴(kuò)展及單元流動(dòng)等問(wèn)題,在巖土工程方面的適宜性及可靠性得到了認(rèn)同[4-8]。應(yīng)用顆粒流方法面臨的首要問(wèn)題是標(biāo)定巖石材料的細(xì)觀力學(xué)參數(shù),主要包括顆粒體力學(xué)參數(shù)、幾何參數(shù)和接觸力學(xué)參數(shù)。關(guān)于顆粒流方法宏細(xì)觀參數(shù)之間的匹配關(guān)系,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了系統(tǒng)深入地研究。Wang等[9]進(jìn)行了雙軸壓縮試驗(yàn),得出若干組不同圍壓下巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線,并與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合,標(biāo)定了巖石材料的細(xì)觀參數(shù)。Cho等[10]利用組合顆粒簇,通過(guò)賦予黏結(jié)強(qiáng)度、法/切向剛度等細(xì)觀參數(shù),從應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài)和非線性破壞模式兩方面與試驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)這種建模方式可以顯著地提高二者的聯(lián)系。基于PFC2D方法,周瑜等學(xué)者[11]根據(jù)矩張量理論建立細(xì)觀尺度上巖石聲發(fā)射模擬方法,就巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了分析,并就顆粒流離散元方法研究巖石聲發(fā)射規(guī)律的有效性進(jìn)行了闡述。

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)目前得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。尤其在室內(nèi)試驗(yàn)方面,學(xué)者在煤巖[12-14]、閃長(zhǎng)巖[15]、大理巖[16-17]、花崗巖[18]等方面開(kāi)展了大量研究,得到了諸多有益的結(jié)論。由于室內(nèi)試驗(yàn)條件和水平的限制,很難對(duì)巖石單軸加載破壞全過(guò)程的聲發(fā)射特性進(jìn)行監(jiān)測(cè),因?yàn)橥鶐r石破壞失去承載力后,壓力機(jī)即停止工作,亦或有時(shí)巖石局部破壞即可能導(dǎo)致聲發(fā)射探頭失效。以上種種客觀因素限制,使得結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行聲發(fā)射規(guī)律研究成為了必要手段。

本文以花崗巖石材料為研究對(duì)象,結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù),開(kāi)展單軸壓縮條件下巖石試樣的力學(xué)特性研究;應(yīng)用顆粒流離散元PFC2D方法,從室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面對(duì)巖石在荷載作用下的聲發(fā)射變化規(guī)律進(jìn)行分析,對(duì)試件破壞模式、聲發(fā)射與荷載變化關(guān)系及彈性模量變化規(guī)律進(jìn)行討論,結(jié)果將對(duì)深入認(rèn)識(shí)花崗巖的力學(xué)特征提供參考。

1 花崗巖材料宏細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

1.1 室內(nèi)單軸壓縮及聲發(fā)射測(cè)試

加工標(biāo)準(zhǔn)花崗巖圓柱試件(?50 mm×100 mm)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),同時(shí)監(jiān)測(cè)加載過(guò)程中試件的聲發(fā)射特性,基本原理如圖1所示:分別于巖石試件上部、下部各布置4個(gè)傳感器,傳感器與巖石接觸部位涂黃油作為耦合劑,由橡膠帶固定(橡膠帶較寬松,僅用于固定聲發(fā)射探頭)。

圖1　巖石荷載作用下聲發(fā)射監(jiān)測(cè)示意Fig.1 Schematic diagram of AE monitering system

加載系統(tǒng)采用杭州邦威機(jī)電控制工程有限公司生產(chǎn)的YAG-3000微機(jī)控制巖石剛度試驗(yàn)機(jī),其可進(jìn)行單軸加載、巴西劈裂、直剪及雙向加載試驗(yàn)。采用高剛度負(fù)荷伺服閾,整機(jī)剛度大于3 GN/ m,最大軸向壓力3 000 kN。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的SH-II多通道超聲波采集處理系統(tǒng)。該設(shè)備主要包括PCI-2主機(jī)、Nano30型傳感器(響應(yīng)頻率范圍為125~750 kHz)、1220A-AST型前置放大器。放大器增益選擇40 dB。應(yīng)用AEwin聲發(fā)射軟件,分析聲發(fā)射事件的發(fā)生時(shí)間、能量等。

1.2 細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

本文采用接觸鍵模型contact bonded model (CBM)[19]開(kāi)展巖石力學(xué)特性研究,模型力學(xué)原理如圖2所示。顆粒單元通過(guò)點(diǎn)接觸進(jìn)行黏結(jié),接觸鍵中的法向、切向黏結(jié)強(qiáng)度決定兩個(gè)顆粒間是否發(fā)生斷裂;顆粒間摩擦屬性在接觸鍵存在時(shí)處于未激活狀態(tài);當(dāng)顆粒間接觸斷裂后,顆粒間摩擦激活,依靠摩擦阻力控制顆粒單元之后的運(yùn)動(dòng)狀況。

圖2　接觸鍵模型BPM力-位移本構(gòu)關(guān)系[20]Fig.2 Constitutive behavior for a bonded particlepoint contact[20]

圖3為巖石單軸壓縮示意。其中,模型底部固定,控制頂部壓墻速度(vp)進(jìn)行位移控制加載。

圖3　巖石數(shù)值模型及加載示意Fig.3 Numerical specimen and schematic diagram for uniaxial loading

標(biāo)定離散元PFC細(xì)觀參數(shù)的過(guò)程是:以巖石常規(guī)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)值模擬曲線和室內(nèi)試驗(yàn)曲線吻合為PFC細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)則,基本過(guò)程是不斷調(diào)整顆粒法向、切向接觸剛度,同時(shí)控制其峰值強(qiáng)度在一定的范圍內(nèi),使顆粒流的細(xì)觀數(shù)值模擬得到的結(jié)果逼近材料的宏觀力學(xué)響應(yīng),從而確保構(gòu)建的顆粒流CBM模型能夠反映花崗巖材料的宏觀物理力學(xué)行為。細(xì)觀單元力學(xué)參數(shù)間雖相互獨(dú)立,而又同時(shí)影響著試件的某種宏觀力學(xué)響應(yīng),比如材料強(qiáng)度有關(guān)的細(xì)觀參數(shù)有接觸剛度、黏結(jié)強(qiáng)度和摩擦因數(shù),同時(shí)變化這些參數(shù)得到宏觀強(qiáng)度變化規(guī)律是非常困難的,目前尚無(wú)有效的解決方法。因此,得到期望的物理模型,選擇顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)與物理模型的宏觀力學(xué)參數(shù)相匹配的過(guò)程是非常復(fù)雜而又困難的,這個(gè)過(guò)程需要大量的試錯(cuò)過(guò)程。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,花崗巖試樣的峰值強(qiáng)度為132.3 MPa,彈性模量約為12.0 GPa。通過(guò)對(duì)剛度、強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行大量的細(xì)觀參數(shù)調(diào)試和標(biāo)定,結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖4)擬合,得到的適用于該花崗巖試件的顆粒流細(xì)觀力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1,其中,巖石的彈性模量受顆粒接觸剛度影響明顯;在CBM模型中,巖石的峰值強(qiáng)度與顆粒間的法向、切向連接強(qiáng)度及顆粒間的摩擦因數(shù)有關(guān);聲發(fā)射釋放受顆粒間連接強(qiáng)度的均值、方差影響明顯。

圖4　室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of complete stress-strain curve betweenexperiment and simulation

表1　數(shù)值試驗(yàn)CBM模型細(xì)觀力學(xué)參數(shù)Table 1 Micro parameters for contact bonded model (CBM) in the uniaxial compression test

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒流模型聲發(fā)射及破壞模式

從細(xì)觀角度來(lái)講,材料失穩(wěn)破壞是由微觀裂縫連通進(jìn)一步導(dǎo)致宏觀裂紋貫通引起的。一個(gè)聲發(fā)射事件(AE)本質(zhì)是巖石內(nèi)部的一個(gè)損傷發(fā)生,是巖石內(nèi)部破壞的一個(gè)外在表現(xiàn)之一。不同于室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn),顆粒流上模擬的一個(gè)聲發(fā)射事件實(shí)際是顆粒間接觸發(fā)生一次斷裂。在接觸鍵模型中,顆粒間強(qiáng)度由法向接觸強(qiáng)度和切向接觸強(qiáng)度確定,當(dāng)壓縮過(guò)程中,法向應(yīng)力高于法向接觸強(qiáng)度后,模型間接觸發(fā)生斷裂,產(chǎn)生拉伸破壞事件;同理,當(dāng)切向應(yīng)力高于切向接觸強(qiáng)度時(shí),發(fā)生剪切破壞事件。因此,該方法能夠區(qū)分剪切、拉伸所引起的破壞事件,可彌補(bǔ)目前室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn)無(wú)法區(qū)分剪切、拉伸破壞的不足。圖5為室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到試樣破壞模式。圖5(a)為數(shù)值模擬得到的試件宏觀破壞模式,模型為典型的剪切破壞,對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,如圖5(b)所示,兩者均表現(xiàn)為呈現(xiàn)剪切破壞,破壞模式基本一致。

圖5　破壞模式數(shù)值結(jié)果與室內(nèi)試件對(duì)比Fig.5 Observed main crack in numerical and experimental tests

不同加載階段試件內(nèi)部破壞事件離散元分析結(jié)果如圖6所示。圖中,紅色代表由顆粒間剪切應(yīng)力造成的破壞,藍(lán)色代表顆粒間拉伸引起的破壞。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),在荷載加載到一定階段時(shí)(階段A~B),試件內(nèi)部最早出現(xiàn)剪切破壞,且破壞事件隨機(jī)產(chǎn)生;隨著顆粒單元內(nèi)部應(yīng)力不斷增加,剪切破壞數(shù)目不斷增加,且呈現(xiàn)一定的貫通方向性(階段C~D);隨著加載繼續(xù),貫通面附近逐漸出現(xiàn)少許拉伸破壞事件,試件內(nèi)部剪切破壞基本不再產(chǎn)生,而主要為拉伸破壞,對(duì)應(yīng)階段E~I;最終,模型沿剪切面破壞,并在剪出口附近出現(xiàn)大量拉伸破壞事件(階段J);對(duì)比圖5(a)模擬破壞結(jié)果,模型右側(cè)破裂面貫通處出現(xiàn)剝落,對(duì)應(yīng)破壞類(lèi)型為拉伸破壞。

總體上裂紋的擴(kuò)展主要表現(xiàn)為微破壞的產(chǎn)生、連通、匯集最終形成宏觀斷裂面。值得指出的是,在數(shù)值試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),斷裂面并未在試件達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生,而是在峰后隨著荷載繼續(xù)增加,材料劣化累積至一定程度時(shí)產(chǎn)生的,此時(shí)材料的宏觀應(yīng)變屬于顆粒單元間的細(xì)觀接觸變形的宏觀響應(yīng)。

2.2 聲發(fā)射與應(yīng)力關(guān)系

目前,從聲發(fā)射-應(yīng)變(時(shí)間)的角度分析聲發(fā)射特性的研究較為常見(jiàn),然而荷載是導(dǎo)致材料變形破壞的外因,是主動(dòng)因素,應(yīng)變、聲發(fā)射是荷載作用下被動(dòng)產(chǎn)生的力學(xué)特性。紀(jì)洪廣等學(xué)者[21]在研究硯北煤礦沖擊地壓事件時(shí)發(fā)現(xiàn),沖擊地壓發(fā)生前,聲發(fā)射和壓力都呈現(xiàn)出一定的規(guī)律,二者存在一定的耦合關(guān)系,但尚未就定量關(guān)系進(jìn)行分析。研究聲發(fā)射與荷載之間的變化規(guī)律更能揭示聲發(fā)射的潛在力學(xué)本質(zhì),也可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓等工程問(wèn)題給予指導(dǎo)。

在離散元模型中,聲發(fā)射數(shù)目與模型內(nèi)部接觸鍵總數(shù)有關(guān)。為了便于與室內(nèi)試驗(yàn)比較,本文應(yīng)用歸一化的振鈴計(jì)數(shù)進(jìn)行對(duì)比(圖7)。對(duì)比發(fā)現(xiàn),室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)得到的振鈴計(jì)數(shù)趨勢(shì)大致相同:當(dāng)荷載達(dá)95~105 MPa時(shí),振鈴率與顆粒流模型內(nèi)部微損傷數(shù)目均呈加快趨勢(shì),即當(dāng)載荷達(dá)到峰值強(qiáng)度的72%~80%時(shí),聲發(fā)射加速釋放,與室內(nèi)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合。結(jié)果也進(jìn)一步表明顆粒流模型在表征花崗巖的聲發(fā)射特性方面是可靠的。

圖6　模擬聲發(fā)射事件演化過(guò)程Fig.6 Successive development of the sourceregions of AE events

圖7　室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)振鈴計(jì)數(shù)對(duì)比Fig.7 AE counts of numerical and experimental test

由于室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備等客觀條件限制,巖石試件出現(xiàn)宏觀破斷面后,傳感器與巖石界面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、分離,無(wú)法有效地繼續(xù)監(jiān)測(cè)聲發(fā)射特性,因而難以監(jiān)測(cè)到整個(gè)過(guò)程的荷載與聲發(fā)射響應(yīng)關(guān)系。離散元數(shù)值方法可以全程監(jiān)測(cè)該過(guò)程,圖8為基于顆粒流離散元方法研究的加載過(guò)程中荷載-振鈴數(shù)變化曲線?？蓪⒄麄€(gè)過(guò)程分為4個(gè)階段:OA—AB—BC—CD。

圖8　荷載下振鈴事件率及累積數(shù)全過(guò)程數(shù)值結(jié)果Fig.8 Complete behavior of the total AE events andaccumulative counts with stress

低速率線性釋放階段OA:該階段為應(yīng)力增加階段,振鈴累積數(shù)隨著荷載升高呈近線性平緩增加,此時(shí)模型內(nèi)部裂紋隨機(jī)出現(xiàn);指數(shù)型釋放階段AB:該階段,振鈴數(shù)隨著荷載的增大呈指數(shù)急劇增加,試件內(nèi)部破壞急劇產(chǎn)生,逐漸出現(xiàn)一定的貫通趨向性;高速率近線性釋放階段BC:隨著加載過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行,巖石試件承載能力下降,振鈴數(shù)(試件內(nèi)部損傷)仍不斷產(chǎn)生,呈近線性增長(zhǎng)趨勢(shì),增長(zhǎng)速率較OA階段高,材料內(nèi)部損傷不斷累積;低速率近線性釋放階段CD:振鈴累計(jì)數(shù)增加速率降低并最終趨于穩(wěn)定,巖石試件已產(chǎn)生宏觀斷裂,試件整體不再承載。

以上4個(gè)階段表明,在試件達(dá)到峰值強(qiáng)度后,隨著加載繼續(xù)進(jìn)行,聲發(fā)射事件仍大量產(chǎn)生,對(duì)應(yīng)B—C—D段,峰值強(qiáng)度后期產(chǎn)生聲發(fā)射事件累積數(shù)超過(guò)峰前聲發(fā)射事件累積數(shù)(對(duì)應(yīng)O—A—B段),約為3.5倍。

2.3 彈性模量與聲發(fā)射關(guān)系

從嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō),巖石材料的絕對(duì)彈性階段是不存在的。因?yàn)樵诩虞d過(guò)程中,材料內(nèi)部一直伴隨著晶格斷裂、裂隙閉合、孔隙塌陷等過(guò)程,因此,彈性模量是個(gè)相對(duì)概念,不同加載階段彈性模量值是個(gè)波動(dòng)值。

聲發(fā)射事件表征了試樣內(nèi)部的破壞問(wèn)題,理論上來(lái)講,聲發(fā)射釋放越多,其抵抗變形能力理論上應(yīng)越來(lái)越低,即彈性模量不斷降低。而試驗(yàn)中往往出現(xiàn)二次甚至多次承載的現(xiàn)象,表明聲發(fā)射釋放過(guò)程中,彈性模量也是波動(dòng)變化的。

單軸壓縮數(shù)值試驗(yàn)采用位移控制加載方式,因此,不同時(shí)步也同時(shí)表征了不同的試件變形(應(yīng)變)條件。一般的,時(shí)步越小,彈性模量更接近當(dāng)前試件的抵抗變形能力,時(shí)步越大,彈性模量更接近模型的平均抵抗變形能力。為了研究模型在破壞發(fā)展階段(不同聲發(fā)射發(fā)生率)中彈性模量的波動(dòng)規(guī)律,對(duì)不同時(shí)步下彈性模量-聲發(fā)射發(fā)生率進(jìn)行研究,本文取峰值強(qiáng)度前(峰值強(qiáng)度前的彈性模量是有效的)不同時(shí)間步下的割線模量En為研究對(duì)象,計(jì)算方法如式(2)所示。每隔k時(shí)步作為割線兩端點(diǎn),選取應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)胚M(jìn)行計(jì)算,所得斜率即為割線模量En。

時(shí)步間隔k分別取100,300,1 000,2 000,5 000,所得割線模量En隨聲發(fā)射變化規(guī)律如圖9所示。

圖9　割線模量En與聲發(fā)射發(fā)生總數(shù)比率關(guān)系Fig.9 Relations of elastic modulus and ratio of AE events

觀察圖9可知,小時(shí)步間隔(如k = 100,300)情況下,彈性模量波動(dòng)劇烈,大時(shí)步間隔(如k=2 000, 3 000)情況下,彈性模量波動(dòng)相對(duì)平緩。以時(shí)步間隔k=300為例:在聲發(fā)射發(fā)生初期,隨著試件內(nèi)部損傷增加,試件的割線模量均明顯降低,出現(xiàn)明顯突降點(diǎn);隨著聲發(fā)射繼續(xù)增加,割線模量波動(dòng)變化,在12 GPa上下波動(dòng)。當(dāng)時(shí)步的間隔為5 000時(shí),初始階段,試件割線模量先增高,之后逐漸趨于穩(wěn)定,在聲發(fā)射發(fā)生率分別為17%,39%,66%及85%時(shí)出現(xiàn)明顯突變點(diǎn),較k=300時(shí)的彈性模量變化幅度小。因此,可以初步得出結(jié)論:時(shí)步間隔越小,計(jì)算得到的割線模量浮動(dòng)幅度越大,間隔越大,得到割線模量浮動(dòng)越小;不同時(shí)步間隔工況下彈性模量值均趨于12 GPa。

3 結(jié) 論

(1)巖石在單軸壓縮過(guò)程中,首先出現(xiàn)剪切破壞事件,隨著荷載繼續(xù)進(jìn)行,剪破壞逐漸貫通成帶時(shí),逐漸出現(xiàn)拉破壞事件,且拉破壞事件主要集中在剪切帶附近;荷載后期破壞事件以拉破壞為主。

(2)荷載是導(dǎo)致聲發(fā)射事件產(chǎn)生的主動(dòng)因素。研究發(fā)現(xiàn),不同荷載階段對(duì)應(yīng)4種不同的聲發(fā)射(試件內(nèi)部損傷)釋放階段:低速率線性釋放階段-指數(shù)型釋放階段-高速率近線性釋放階段-低速率近線性釋放階段;峰值強(qiáng)度后期聲發(fā)射事件累積數(shù)較峰值前期累積數(shù)高,值約為3.5倍。

(3)對(duì)比了不同時(shí)步間隔的彈性模量-聲發(fā)射比率變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn):隨著聲發(fā)射事件增加,彈性模量逐漸減小并趨于穩(wěn)定;選取的時(shí)步間隔越小,試件割線模量浮動(dòng)幅度越大,而間隔越大,割線模量浮動(dòng)幅度越小;不同時(shí)步間隔下試件的彈性模量浮動(dòng)范圍均趨于12 GPa。

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Mechanical characteristics of granite under uniaxial compressive and AE monitoring test using particle flow code

LIU Hong-lei1,3,WANG Pei-tao1,2,YANG Tian-hong1,3,XU Tao1,3,YU Qing-lei1,3,XIA Dong4

(1.School of Resources & Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2.School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3.Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines,Northeastern University,Shenyang 110819,China;4.College of Mining Engineering,North China University of Science & Technology,Tangshan 063009,China)

Abstract:On the basis of the acoustic emission under uniaxial compression on granite,the meso-mechanical properties and influence of damage on elastic modulus of intact rock were simulated using particle flow code.Results from numerical simulations using DEM code were presented,and compared with experimental results.The relationship between the accumulated number of AE events and uniaxial stress was also studied.Moreover,the variation of secant modulus was analyzed before the pre-peak strength stage.The study results indicate that shear crack initiated before tensile cracks with the increase of uniaxial loading stress.Four stages of AE events existed during the complete compression process and the accumulated number of AE events after peak strength was much larger than that of the number before peak strength.The larger the time-step in the numerical test was,the smaller of the variation of elastic modulus in pre-peak loading stage became.All the elastic moduli tended to fluctuantly stabilize to a certain value.The results can be utilized as a new approach in AE test.

Key words:uniaxial compression;failure mechanism;acoustic emission;particle flow code (PFC2D)

通訊作者:王培濤(1987—),男,河北滄州人,博士研究生。E-mail:peitaowpt@163.com

作者簡(jiǎn)介:劉洪磊(1981—)男,山東棗莊人,講師。E-mail:lhl811215@ 163.com。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174045,51034001);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(N13011005)

收稿日期:2014-12-23

中圖分類(lèi)號(hào):TD315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2015)08-1790-06