巖石試件單軸破壞過(guò)程的聲發(fā)射特征研究★

熊毅　　王卓雄　　白悅

(1．重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400030;　2．重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶　400030)

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巖石試件單軸破壞過(guò)程的聲發(fā)射特征研究★

熊毅1，2王卓雄1，2白悅1，2

(1．重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030;2．重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶400030)

摘要:針對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性預(yù)測(cè)問(wèn)題，通過(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，分析了三泉隧道內(nèi)部石灰?guī)r試件單軸破壞過(guò)程的聲發(fā)射及微裂隙演化特征，得出了一些結(jié)論，有利于隧道圍巖穩(wěn)定性的控制。

關(guān)鍵詞:圍巖，聲發(fā)射特征，微裂隙演化特征，穩(wěn)定性

聲發(fā)射是材料受外力作用出現(xiàn)變形或裂紋擴(kuò)展，在其破壞過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)變能以彈性波的形式快速釋放的現(xiàn)象［1-5］。由于自然界大部分的材料內(nèi)部都含有或多或少的缺陷，在外界條件改變的情況下，內(nèi)部缺陷狀態(tài)發(fā)生改變，發(fā)出聲音。從微觀上看，聲發(fā)射是由于材料內(nèi)部晶體產(chǎn)生位錯(cuò)，微裂紋萌生且逐漸閉合、擴(kuò)展;從宏觀上看，聲發(fā)射是由于材料內(nèi)部出現(xiàn)大面積損傷或結(jié)構(gòu)單元之間產(chǎn)生大幅度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。材料破壞失效的根本原因就是內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展與貫通。巖石作為非金屬材料，強(qiáng)度很高，韌性很差，屬于脆性材料，其聲發(fā)射源主要為微裂紋開(kāi)裂和宏觀開(kāi)裂［6-11］。進(jìn)行單軸壓縮條件下巖石試件破壞過(guò)程的聲發(fā)射研究，可深入揭示巖石失穩(wěn)破壞本質(zhì)，從根本上認(rèn)清其破壞的應(yīng)力條件，為地下巖石工程災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

1　研究背景

隧道的開(kāi)挖主要有礦山法和新奧法，在這些開(kāi)挖方法中都需要加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性方面的監(jiān)測(cè)預(yù)警，防止由于地應(yīng)力造成圍巖失穩(wěn)。三泉隧道地址位于重慶市南川區(qū)三泉鎮(zhèn)境內(nèi)，進(jìn)洞口位于三泉鎮(zhèn)石門溝溝口處，出洞口位于三泉鎮(zhèn)半河鄉(xiāng)天生橋北約50 m處。隨著隧道的開(kāi)挖長(zhǎng)度不斷增加，圍巖的暴露面積也日益增大，為了保證隧道開(kāi)挖安全高效的進(jìn)行，減少開(kāi)挖成本，亟待對(duì)圍巖采取相應(yīng)的防治措施，以免發(fā)生拱頂垮塌或巖爆等現(xiàn)象。本文對(duì)三泉隧道右洞內(nèi)部石進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合聲發(fā)射方法對(duì)其破壞特征進(jìn)行分析，希望能夠?qū)ζ鋰鷰r的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及防治問(wèn)題有所幫助，為隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖失穩(wěn)預(yù)測(cè)提供相關(guān)理論支持。

2　實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)在重慶大學(xué)煤礦動(dòng)力災(zāi)害學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研期間取得的三泉隧道右洞巖樣，經(jīng)取芯、切割、打磨等工序制成符合國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議的標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)試件，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中主要使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有:日本島津公司生產(chǎn)的AG-Ⅰ250 kN型精密電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、美國(guó)物理聲學(xué)公司PCI-2型聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)、CCD高清攝像機(jī)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。聲發(fā)射檢測(cè)儀是用來(lái)接收和處理聲發(fā)射信號(hào)的機(jī)械設(shè)備，本次實(shí)驗(yàn)使用的美國(guó)物理聲學(xué)公司PCI-2系統(tǒng)，該系統(tǒng)是對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)/波形進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的雙通道聲發(fā)射系統(tǒng)。PCI-2系統(tǒng)主要由聲發(fā)射檢測(cè)儀主機(jī)、傳感器、前置放大器等組成(如圖3所示)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下:以黃油作為耦合劑在巖石側(cè)面粘貼四個(gè)聲發(fā)射(如圖4所示)，并檢查探頭接收到的信號(hào)是否正常。為了防止端面效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，安裝試件前在其上下端面均勻涂抹一層黃油，并保證試件中心與試驗(yàn)機(jī)上下壓頭中心共線。軸向加載采用0．05 mm/min的位移控制，安裝調(diào)整攝像機(jī)使其可以清晰的看到巖石試件正前方位置，設(shè)置聲發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)，完成后同時(shí)開(kāi)啟島津試驗(yàn)機(jī)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、CCD高清攝像機(jī)開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)巖石受力變形的位移、荷載控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試件表面的細(xì)觀裂紋演化過(guò)程及與之對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)變化情況，并與應(yīng)力—應(yīng)變曲線相對(duì)比，從而研究磷礦石在軸向壓縮條件下破壞失穩(wěn)的力學(xué)及聲發(fā)射特征。

圖1　石灰石標(biāo)準(zhǔn)巖石試件

圖2　試驗(yàn)過(guò)程設(shè)備布置圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3．1石灰石單軸破壞全程應(yīng)力—聲發(fā)射—時(shí)間關(guān)系

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得到單軸壓縮過(guò)程中的應(yīng)力、AE隨時(shí)間變化曲線以及AE總計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化曲線，以1號(hào)試件為代表進(jìn)行分析，可以看出應(yīng)力—時(shí)間曲線與AE實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)曲線對(duì)于反映巖石試件單軸破壞狀態(tài)具有很好的一致性。

圖3　PAC公司PCI-2型聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)

由圖5可以看出:在oa階段巖石試件處于微裂隙空隙閉合階段，在軸向力的作用下，原始空隙裂隙開(kāi)始閉合，在該過(guò)程中有少

圖4　傳感器布置形式

圖5　1號(hào)試件的應(yīng)力、AE實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)—時(shí)間關(guān)系曲線

圖6　應(yīng)力、AE總計(jì)數(shù)—時(shí)間關(guān)系曲線

圖6為實(shí)驗(yàn)所得巖石單軸破壞過(guò)程的應(yīng)力、AE總計(jì)數(shù)—時(shí)間關(guān)系曲線，由圖6可以看出隨著巖石微破裂的不斷發(fā)展巖石聲發(fā)射AE總計(jì)數(shù)呈不斷增大的趨勢(shì)，且增長(zhǎng)的幅度越來(lái)越大。在ab段，微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段AE總計(jì)數(shù)—時(shí)間關(guān)系曲線開(kāi)始穩(wěn)定增大;在b點(diǎn)之后AE總計(jì)數(shù)—時(shí)間關(guān)系曲線上升到一個(gè)新的高度，然后保持一定的速度繼續(xù)增大;到達(dá)c點(diǎn)附近時(shí)，AE總計(jì)數(shù)曲線增長(zhǎng)速率發(fā)生了極大的改變，尤其是在巖石試件破壞的瞬間，AE總計(jì)數(shù)曲線直線上升。由AE總計(jì)數(shù)—時(shí)間曲線可以看出，在巖石破壞過(guò)程中，AE總計(jì)數(shù)呈“階梯”狀增長(zhǎng)，且隨著巖石破壞的發(fā)展“階梯水平”的落差逐漸加大，“階梯水平”逐漸減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，隨著應(yīng)力的持續(xù)加載，巖石損傷破壞進(jìn)程加快，AE信號(hào)突增頻率加大，且增長(zhǎng)的幅度也逐漸增大。

3．2基于CCD的試件破壞微裂隙演化規(guī)律分析

通過(guò)CCD高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控試件在破壞過(guò)程中的裂隙演化特征，圖7為不同時(shí)間試件表面裂隙演化過(guò)程。

由圖7中不同時(shí)間巖石時(shí)間裂隙演化狀態(tài)可以看到，在0 s～1 170 s時(shí)間內(nèi)試件表面沒(méi)有宏觀裂隙產(chǎn)生，與圖5和圖6顯示的ab階段很少有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生一致。在1 170 s時(shí)巖石試件前方上部左側(cè)產(chǎn)生宏觀微小裂隙，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示該時(shí)間點(diǎn)AE計(jì)數(shù)較之前相比出現(xiàn)了較大的上升。1 200 s時(shí)巖石上部左側(cè)裂隙向上部擴(kuò)展，與此同時(shí)在巖石下部左側(cè)角出現(xiàn)新的宏觀裂隙，并且在1 242 s時(shí)該裂隙產(chǎn)生掉落，在其旁邊又產(chǎn)生新的縱向裂隙。該過(guò)程在巖石試件的左上及左下位置都產(chǎn)生了微破裂，認(rèn)為可能是由于該試件受力不均造成的，巖石試件端部不平行，造成試件左側(cè)受力較大，產(chǎn)生端部效應(yīng)使得試件受橫向拉伸產(chǎn)生沿縱向的裂紋。在1 272 s時(shí)在試件下部中央位置產(chǎn)生縱向裂紋，并且隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行該裂紋不斷由下向上擴(kuò)展，直到1 410 s時(shí)該裂紋與上部產(chǎn)生的新裂紋發(fā)生交叉，到1 422 s形成貫通裂隙，然后形成的裂紋在上下裂紋交叉處不斷發(fā)展，在橫向不斷復(fù)雜，認(rèn)為這是由于兩部分巖塊在裂隙面滑移摩擦造成該處應(yīng)力集中，在交叉處產(chǎn)生橫向的變形。在1 458 s時(shí)試件突然發(fā)生整體失穩(wěn)，巖石試件由原先的宏觀斷裂面破壞為兩部分，在右側(cè)一部分突然產(chǎn)生多條縱向裂紋，在此同時(shí)，聲發(fā)射AE計(jì)數(shù)也出現(xiàn)了大幅上升，認(rèn)為這可能是由于巖石試件的突然破壞使得試件內(nèi)積蓄的彈性應(yīng)變能迅速釋放，巖石試件突然卸壓，造成試件內(nèi)部不可見(jiàn)閉合裂隙的突然張開(kāi)。由此分析認(rèn)為隧道開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)力集中是造成圍巖失穩(wěn)的主要原因，圍巖破壞形式多為拉壓破壞，因此在隧道開(kāi)挖過(guò)程中需要采取合理的防治措施，如:開(kāi)卸荷槽，預(yù)鉆孔等，以減小圍巖或掌子面應(yīng)力集中。

圖7　不同時(shí)間巖石時(shí)間裂隙演化狀態(tài)

通過(guò)對(duì)三泉隧道巖石單軸壓縮破壞全過(guò)程聲發(fā)射特征的分析得出以下結(jié)論:

1)通過(guò)對(duì)應(yīng)力—聲發(fā)射AE計(jì)數(shù)—時(shí)間關(guān)系曲線及試件破壞微裂隙演化規(guī)律分析表明聲發(fā)射AE變化規(guī)律與巖石試件破壞過(guò)程具有一致性，聲發(fā)射是巖石破壞過(guò)程的伴生現(xiàn)象，因此在地下開(kāi)采過(guò)程中可以通過(guò)監(jiān)測(cè)掌子面、圍巖的聲發(fā)射信號(hào)，預(yù)防掌子面、圍巖失穩(wěn)等災(zāi)害。

2)在巖石破壞過(guò)程中AE總計(jì)數(shù)呈“階梯”狀增長(zhǎng)，且隨著巖石破壞的發(fā)展“階梯水平”的落差逐漸加大，“階梯水平”逐漸減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，隨著應(yīng)力的持續(xù)加載，巖石損傷破壞進(jìn)程加快，AE信號(hào)突增頻率加大，且增長(zhǎng)的幅度也逐漸增大。

3)由試件破壞微裂隙演化規(guī)律分析表明應(yīng)力集中是造成圍巖失穩(wěn)的主要原因，圍巖破壞形式多為拉壓破壞，故認(rèn)為在隧道開(kāi)挖過(guò)程中需要采取合理的防治措施，如:開(kāi)卸荷槽，預(yù)鉆孔等，以減小圍巖或掌子面應(yīng)力集中。

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中圖分類號(hào):TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0050-03

收稿日期:2016-04-05 ★:國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):201510611057)

作者簡(jiǎn)介:熊毅(1993-)，男，在讀本科生;王卓雄(1997-)，男，在讀本科生;白悅(1994-)，男，在讀本科生量的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生;在ab階段巖石試件處于彈性變形至穩(wěn)定發(fā)展階段，該階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線近似呈直線型，前期為彈性變形階段，后段為微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段。由應(yīng)力—時(shí)間曲線、AE實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)—時(shí)間曲線可以看到，在該階段前期聲發(fā)射信號(hào)處于穩(wěn)定變化階段，后期聲發(fā)射信號(hào)變化量變化較大，并且出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)突然增大的現(xiàn)象，表明該階段后期存在裂隙的演化。在bc階段為非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，或累進(jìn)性破裂發(fā)展階段，進(jìn)入該階段后，微破裂的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的變化，破裂不斷發(fā)展，直至?xí)r間完全破壞。AE實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)—時(shí)間曲線可以看出該階段的聲發(fā)射信號(hào)較之前有很大的增加，且一直處于較高水平，表明該階段巖石試件的微破裂不斷發(fā)展，直至出現(xiàn)整體的失穩(wěn)破壞。

Research on acoustic emission characteristics of rock specimens single shaft failure process★

Xiong Yi1，2Wang Zhuoxiong1，2Bai Yue1，2
(1．National Key Lab for Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400030，China; 2．College of Resources and Environment Science，Chongqing University，Chongqing 400030，China)

Abstract:This paper aims at excavation engineering problems of Sanquan tunnel and analysis the acoustic emission and micro cracks evolution characteristics of the Sanquan internal tunnel limestone specimens single shaft failure process through the indoor rock mechanics test．Above research results to control the stability of the surrounding rock of the tunnel．

Key words:surrounding rock，acoustic emission characteristics，evolution characteristics of micro fracture，stability