單軸壓縮條件下砂巖聲發(fā)射特性研究

陳依珂，胡淑婷，周家俊，康玉梅

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

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單軸壓縮條件下砂巖聲發(fā)射特性研究

陳依珂，胡淑婷，周家俊，康玉梅

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

摘要：進(jìn)行了單軸壓縮條件下砂巖的聲發(fā)射試驗，研究了砂巖單軸壓縮破壞全過程聲發(fā)射特性。試驗結(jié)果表明，巖石破裂過程中，聲發(fā)射具有與力學(xué)參數(shù)同步的階段性特征，且?guī)r石的不同變形階段的聲發(fā)射特征不同。根據(jù)巖石受壓過程中聲發(fā)射的能量、能率和事件率的變化，能較好地表征巖石受壓破壞的時空演化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；單軸壓縮；聲發(fā)射事件率；聲發(fā)射振鈴計數(shù)；砂巖

1引言

在外力、內(nèi)力或溫度的影響下，巖石具有聲發(fā)射現(xiàn)象(acoustic emission，簡稱AE)[1]。通過監(jiān)測巖石破裂過程中聲發(fā)射信號產(chǎn)生的時間、空間、破裂強度等信息，可推導(dǎo)出巖石裂紋孕育、發(fā)展和貫通過程，從而揭示巖石的破壞機制。目前，聲發(fā)射理論和監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于礦山圍巖穩(wěn)定性和巖爆的監(jiān)測預(yù)報中[2-3]。國外許多學(xué)者對巖石受力破壞過程中的聲發(fā)射特征做出了大量的室內(nèi)試驗研究[4-9]，例如，劉建坡等[4]基于聲發(fā)射定位技術(shù)和單鍵群方法，對在單軸壓縮條件下巖石破裂過程中的聲發(fā)射空間相關(guān)長度的變化特征進(jìn)行試驗研究；秦虎等[5]研究了單軸壓縮下不同含水率煤巖的聲發(fā)射特征；周喻等[6]基于顆粒流理論建立細(xì)觀尺度上巖石聲發(fā)射模擬方法；李術(shù)才等[7]提出利用電阻率和聲發(fā)射技術(shù)對砂巖巖樣單軸壓縮全過程進(jìn)行聯(lián)合測試的試驗方法；楊永杰等[8]利用聲發(fā)射參數(shù)，分析三軸壓縮條件下灰?guī)r的損傷演化特征；吳剛等[9]利用LEICA DM4500P偏光顯微鏡對不同溫度下花崗巖的強度和聲發(fā)射與細(xì)觀結(jié)構(gòu)形態(tài)關(guān)系進(jìn)行了初步的探討。

巖體作為一種復(fù)雜的地質(zhì)體，其礦物成分、組成結(jié)構(gòu)、形成環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造作用及膠結(jié)物都不盡相同，這意味著其力學(xué)特性和破壞機理等會有很大的差異，因此，巖體的聲發(fā)射特征也應(yīng)該是各不相同的。本文以常見的砂巖為試驗對象，采用WHY-600加載設(shè)備進(jìn)行單軸壓縮試驗，對應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中聲發(fā)射特征及各聲發(fā)射參數(shù)間的互相比較進(jìn)行研究，進(jìn)而揭示巖石的損傷產(chǎn)生、損傷演化和破壞過程，為研究巖石的損傷破裂過程以及預(yù)測現(xiàn)場巖體的破裂失穩(wěn)過程奠定理論基礎(chǔ)。

2砂巖單軸壓縮聲發(fā)射試驗

2.1試驗設(shè)備

聲發(fā)射試驗系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成：(1)加載系統(tǒng)，以WHY-600剛性微機控制壓力機為加載設(shè)備，采用恒定0.24mm/min速度的加載方式，獲得應(yīng)力、應(yīng)變、試塊極限承載力等試驗曲線；(2)聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，采用美國物理聲學(xué)公司(Physical Acoustic Corporation)生產(chǎn)的PCI-2全波形聲發(fā)射系統(tǒng)，其門檻值設(shè)定為40dB，采用雙通道采集數(shù)據(jù)，采樣頻率為1MHz；(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用DH-3817型動靜態(tài)應(yīng)變儀采集試樣的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.2試件制備

本試驗選用砂巖為試驗對象。為盡可能降低巖石試件個體差異而產(chǎn)生的試驗結(jié)果的離散性，按照相關(guān)巖石力學(xué)試驗指導(dǎo)用書[10]的建議，加工6個直徑?50mm、高100mm的圓柱形試件，幾何精度滿足規(guī)程要求。試樣加工好后，置于室內(nèi)通風(fēng)條件較好的位置，自然風(fēng)干14天以上。

2.3試驗過程

(1)分別在圓柱1/2和3/4高度處沿圓周每1/4圓周固定一個傳感器，傳感器與試樣加載兩端留約20mm的距離，以消除壓力機壓頭對聲發(fā)射事件的影響；

(2)在試件的一半高度的部分沿徑向和縱向分別貼應(yīng)變片，采集試樣的應(yīng)變數(shù)據(jù)；

(3)將試件的上下兩端分別涂上凡士林，以減小加載系統(tǒng)的底座與試件端面之間的摩擦；

(4)將巖芯的軸線與加載的軸線重合，進(jìn)行預(yù)加載；

(5)在巖石試樣上選取一系列的點做斷鉛試驗，以便校正試驗定位結(jié)果；

(6)一切準(zhǔn)備就緒后，使加載和聲發(fā)射信號采集同時開始進(jìn)行，直到試件破壞，如圖1所示。

圖1　破壞后的巖樣

3試驗結(jié)果與分析

本文進(jìn)行了6組單軸壓縮條件下的砂巖聲發(fā)射試驗，限于篇幅，下面選取典型的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1單軸壓縮條件下砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，砂巖巖芯破壞前應(yīng)變較小，超過峰值應(yīng)力后，巖樣瞬間破壞，其破壞過程可以分為4個階段。

圖2　 砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(1)OA段為孔隙裂隙壓密階段。此段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上凹，說明該段曲線的斜率由小變大，即彈性模量由小變大，但應(yīng)變的變化率減小，表明巖樣內(nèi)的裂隙、微小孔隙或節(jié)理面在加載過程中漸漸閉合，軟弱介質(zhì)被壓密。此階段試件橫向膨脹較小，巖樣的體積在此階段隨荷載增大而減小。

(2)AB段為彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段。此階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似保持一直線，巖樣的變形速率基本保持一定。

(3)BC段為非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段。由于該階段內(nèi)大量微裂紋開始生成擴展，并最終匯合貫通，使試件破壞，試件由體積壓縮轉(zhuǎn)為擴容，體積應(yīng)變和軸向應(yīng)變速率迅速增大，局部有巖塊崩落，顯示出宏觀裂紋。隨著荷載加大，裂紋擴展貫通形成滑動面，完全破壞時出現(xiàn)巨響。

(4)C之后為破壞后階段，由于使用的壓力機不是剛性壓力機，此階段信息未采集。

3.2單軸壓縮條件下砂巖應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中的聲發(fā)射特征

在單軸壓縮試驗中，加載初期就有AE活動，如圖3和圖4所示，這表明巖樣初始微裂隙在荷載作用下閉合摩擦，釋放出應(yīng)力波。隨著荷載的增加，聲發(fā)射率比加載初期要小，因為這一階段主要是線彈性變形，巖樣基本沒有塑性變形。臨近破壞時，AE活動大量增加，能量、振鈴計數(shù)、AE事件率和能率都在峰值應(yīng)力處達(dá)到最大值，這與大多數(shù)試驗結(jié)果相一致。

圖3　振鈴計數(shù)與時間的關(guān)系

圖4　應(yīng)力、幅值與應(yīng)變的關(guān)系

與應(yīng)力-應(yīng)變的4個變化階段相對應(yīng)，巖石的聲發(fā)射特征也有4個階段。

(1)初始壓密階段：隨著軸向應(yīng)力的增加，應(yīng)變增大，巖樣中的微裂隙或節(jié)理被壓密，在這一過程中的聲發(fā)射特征具有幅值小、能量小、振鈴計數(shù)少等特點。

(2)彈性階段至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段：應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為一條直線，幾乎沒有塑性變形，這時的聲發(fā)射特征很弱，幅值很小、能量很小、振鈴計數(shù)很少，只有少量裂隙穩(wěn)定滑移引發(fā)少量的聲發(fā)射事件。

(3)非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段：由于該階段內(nèi)大量微裂紋開始擴展，并最終匯合貫通，使試件破壞，這時的聲發(fā)射信號特征非常顯著，振鈴計數(shù)、能量、事件率都表現(xiàn)得非常大，并且在峰值應(yīng)力處達(dá)到最大值。

(4)破壞后階段：此階段巖石仍有承載力，還會有聲發(fā)射信號，但是強度要比上一階段弱。

綜上可知，由于巖石的不同變形階段的聲發(fā)射特征不同，因此可用聲發(fā)射來研究巖石的損傷破裂過程以及預(yù)測現(xiàn)場巖體的破裂失穩(wěn)過程。

3.3聲發(fā)射參數(shù)分析

3.3.1聲發(fā)射能量

聲發(fā)射能量與應(yīng)變的關(guān)系如圖5所示，可以看出，能量在加載初期保持在較低水平，在彈性加載段內(nèi)，相對來說能量微弱到幾乎沒有，在非穩(wěn)定破裂階段，能量迅速增大，預(yù)示著巖樣內(nèi)部微裂紋的開裂擴展并貫通，并在峰值應(yīng)力時達(dá)到最大值。因此，聲發(fā)射能量較好地符合了巖石受力變形各個階段內(nèi)的變化特征。

圖5　應(yīng)力、能量與應(yīng)變的關(guān)系

3.3.2聲發(fā)射能率

聲發(fā)射的能率與應(yīng)變的關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出，加載初期有微弱的聲發(fā)射活動，但是能率很微弱，與峰值應(yīng)力時的能率(5×109)相比可以忽略不計，與聲發(fā)射事件率相比，能率表現(xiàn)得更敏感。

圖6　應(yīng)力、能率與應(yīng)變的關(guān)系

3.3.3聲發(fā)射事件率

圖7　應(yīng)力、AE事件率與應(yīng)變的關(guān)系

巖石受壓變形直到破壞的聲發(fā)射事件率與應(yīng)變的關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，在加載初期，聲發(fā)射事件率很低，僅有少量的聲發(fā)射事件，此時巖樣處于原生裂隙或節(jié)理的閉合階段。當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增大到峰值應(yīng)力的15%-70%左右時，聲發(fā)射率保持在0左右，此時幾乎沒有聲發(fā)射事件，此時巖樣處于線彈性階段，巖樣內(nèi)部幾乎沒有損傷增加。當(dāng)應(yīng)力超過70%左右時，聲發(fā)射率有所增加，但幅度不是很大，表明此時巖樣內(nèi)部微裂紋漸漸增多，但仍處于穩(wěn)定發(fā)展階段，巖樣內(nèi)部局部損傷破裂增加。當(dāng)應(yīng)力增加到峰值應(yīng)力的85%左右時，聲發(fā)射事件率開始階躍式上升，表明此時巖樣內(nèi)部的裂紋開始不穩(wěn)定擴展，裂紋逐步擴展變大并貫通，從局部損傷轉(zhuǎn)向宏觀破裂，產(chǎn)生了大量聲發(fā)射事件，并在達(dá)到峰值應(yīng)力時達(dá)到最大值，之后聲發(fā)射事件率急劇下降，說明此巖樣的破壞具有瞬時性。在實際工程中，此種巖石有巖爆傾向。

3.3.4聲發(fā)射振鈴計數(shù)

聲發(fā)射振鈴計數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系如圖8所示。從圖中可以看出，加載初期聲發(fā)射活動很微弱，進(jìn)入線彈性階段后，聲發(fā)射比較穩(wěn)定，聲發(fā)射振鈴計數(shù)比上一階段要少，但是直到峰值應(yīng)力時才迅速躍升到較大值。因此，振鈴計數(shù)比起聲發(fā)射事件率、能率等聲發(fā)射特征不明顯，不能可靠地預(yù)測巖石進(jìn)入非穩(wěn)定破裂階段。

圖8　應(yīng)力、振鈴計數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系

4結(jié)語

(1)在單軸壓縮條件下，砂巖應(yīng)力-應(yīng)變過程曲線可分為4個階段:初始壓密階段、彈性階段、應(yīng)變硬化階段和應(yīng)變軟化階段。

(2)巖石的不同變形階段的聲發(fā)射特征不同，因此可用聲發(fā)射來研究巖石的損傷破裂過程以及預(yù)測現(xiàn)場巖體的破裂失穩(wěn)過程。

(3)聲發(fā)射的能量、能率和事件率能較好地符合巖石受力變形的各個階段的特征，因此可以用來方便地監(jiān)測巖石內(nèi)部的損傷演化過程。振鈴計數(shù)由于非穩(wěn)定破裂階段不明顯，在峰值應(yīng)力時才迅速增加到最大值，因此不適用于表現(xiàn)巖石破裂前兆。

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[收稿日期]2016-05-06

[作者簡介]陳依珂(1994-)，女，浙江金華人，所學(xué)專業(yè)為土木工程。

[基金項目]東北大學(xué)第七批國家級大學(xué)生創(chuàng)新實驗(150032)。

中圖分類號：TU459+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.006

Experimental Research on Acoustic Emission Characteristics of Sandstone on the Condition of Uniaxial Compression

Chen Yike, Hu Shuting, Zhou Jiajun, Kang Yumei

(School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning, China)

Abstract：The test of acoustic emission is carried out on the condition of uniaxial compression, and the acoustic emission characteristics of sandstone in the whole fracture process are studied. The test results show that the acoustic emission has the synchronized phase characteristics in the rock fracture process. In addition, the acoustic emission characteristics will change in different phases. According to the change of the rate of energy and events rate, the regulation of rock fracture process on the condition of compression can be vividly showed.

Keywords:acoustic emission; uniaxial compression; acoustic emission event rate; ringing acoustic emission count; sandstone