淺談巖石蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)對(duì)巖體路基穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)應(yīng)用與展望

陳康

摘 要：首先介紹了巖石蠕變的相關(guān)概念以及聲發(fā)射在巖石穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，然后根據(jù)聲發(fā)射在室內(nèi)試驗(yàn)研究的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)巖石在單軸壓縮與蠕變狀態(tài)下聲發(fā)射試驗(yàn)做了綜述，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)要分析了兩種狀態(tài)下聲發(fā)射參數(shù)特征，最后對(duì)應(yīng)變與聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)系判定巖石蠕變與單軸壓縮狀態(tài)的方法借鑒至巖體路基穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了展望，同時(shí)指出了今后研究的重點(diǎn)與方向。

關(guān)鍵詞：巖體路基；聲發(fā)射；蠕變；穩(wěn)定性；監(jiān)測(cè)

引言

隨著高鐵與高速公路的快速發(fā)展，巖體工程的穩(wěn)定性問題越來越得到關(guān)注。在路基以及隧道的邊坡開挖過程中，工程師既要保證施工期間巖體的穩(wěn)定性，還要考慮地基沉降滿足通車運(yùn)營要求。在巖石蠕變的研究中，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)是重要的研究手段。巖石蠕變聲發(fā)射研究發(fā)展至今，已有了許多的研究成果，目前較少對(duì)相關(guān)成果進(jìn)行整理和歸納，本文主要整理了近年部分有關(guān)聲發(fā)射在室內(nèi)試驗(yàn)中的研究文獻(xiàn)，并基于此提出巖石蠕變聲發(fā)射研究方向并將其應(yīng)用至巖體路基邊坡、地下礦井等工程的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)進(jìn)行展望。

1 相關(guān)概念的闡述

巖石蠕變是指巖石在恒定荷載作用下，變形隨著時(shí)間的推移而逐漸增大的現(xiàn)象；聲發(fā)射信號(hào)是聲發(fā)射儀器將材料內(nèi)部微裂紋因外部荷載作用下不斷孕育、發(fā)展所釋放的彈性波進(jìn)行轉(zhuǎn)化所得到的信號(hào)。

2 巖石聲發(fā)射研究現(xiàn)狀

由于在實(shí)際的工程中，巖體的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，例如在邊坡的開挖過程中，巖體的截面不斷減小，應(yīng)力不斷增大，類似于單軸壓縮狀態(tài)，當(dāng)開挖停止或緩慢進(jìn)行時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)幾乎不變或增加緩慢，類似于蠕變狀態(tài)，為了更好研究巖石在開挖時(shí)開挖后的穩(wěn)定性情況，本文在整理巖石蠕變聲發(fā)射文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上還整理了部分相關(guān)巖石單軸壓縮聲發(fā)射的研究。相對(duì)于蠕變聲發(fā)射，巖石在單軸壓縮聲發(fā)射方面的研究已有多年，主要探究巖石在單軸壓縮狀態(tài)下應(yīng)變、應(yīng)力等力學(xué)物理參數(shù)與聲發(fā)射各參數(shù)的關(guān)系，以下為部分代表性研究內(nèi)容。

陳宇龍[1]等人通過砂巖的單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了巖石軸向、橫向、體積等應(yīng)變之間的關(guān)系，以及聲發(fā)射特性。吳永勝[2]等人研究了巖石在單軸壓縮狀態(tài)下AE活動(dòng)規(guī)律，分析了巖石破壞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)能率較聲發(fā)射率更適合預(yù)測(cè)巖石破壞。趙玉成[3]等人利用AE振鈴計(jì)數(shù)率以及能率分析了煤巖的損傷過程，并得到了各階段的損傷臨界值。蘇承東[4]等人通過單軸壓縮條件下兩種尺寸煤樣聲發(fā)射試驗(yàn)，對(duì)比了兩種煤樣的AE特征，發(fā)現(xiàn)大尺寸煤樣的AE特征更適合預(yù)測(cè)煤巖的動(dòng)力災(zāi)害。紀(jì)洪廣[5]等人通過在不同應(yīng)力水平下粉砂巖的聲發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在較低的應(yīng)力水平下，AE事件很少，當(dāng)應(yīng)力水平提高，AE事件相對(duì)活躍。文獻(xiàn)[6]通過不同加載方式下砂巖的聲發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在單軸壓縮狀態(tài)下巖樣在變形的各個(gè)階段具有各不相同的聲發(fā)射特征；在常規(guī)三軸狀態(tài)下，試樣AE事件主要出現(xiàn)在屈服階段和峰值后破壞階段；在三軸卸圍壓時(shí)，AE事件主要出現(xiàn)在試樣卸圍壓過程中。

在巖石蠕變聲發(fā)射研究方面。由于巖石發(fā)生蠕變破壞的時(shí)間較長，早期聲發(fā)射儀器連續(xù)作業(yè)時(shí)間有限，國內(nèi)相關(guān)研究一直不多。以下為近幾年部分相關(guān)文獻(xiàn)。徐子杰[7]等人通過不同應(yīng)力水平下大理巖的蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，分析巖石蠕變損傷以及破壞的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)AE數(shù)在壓密與彈性階段較少，隨后加載破壞時(shí)顯著增加。楊永杰[8]等人通過分級(jí)加載聲發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過聲發(fā)射特征能較好表征煤巖蠕變各階段的損傷過程。龔囪[9]等人通過進(jìn)行紅砂巖分級(jí)循環(huán)加卸載的聲發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了巖樣在蠕變的三個(gè)階段中的聲發(fā)射能量和振幅特征。王煜曦[10]等人當(dāng)法向力不變的情況下，分別進(jìn)行斷裂砂巖在壓剪破壞與巴西拉破壞的蠕變分級(jí)剪切試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)了兩種破壞形式的巖石在不同的蠕變分級(jí)剪切階段AE能率和蠕變剪切位移之間的關(guān)系。王德超[11]等通過蠕變?cè)囼?yàn)研究發(fā)現(xiàn)：隨著壓力上升巖石AE信號(hào)不斷增強(qiáng)；當(dāng)壓力穩(wěn)定后，聲發(fā)射信號(hào)有所減弱，整體的變化趨勢(shì)平穩(wěn)。巖石抗壓強(qiáng)度和AE能量的最大值表現(xiàn)為正相關(guān)性。武晉文[12]等人通過對(duì)花崗巖在3種不同溫度、軸壓以及圍壓條件下蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，研究對(duì)比了不同條件下巖體的蠕變聲發(fā)射特征。文獻(xiàn)[13]進(jìn)行了分級(jí)加卸載條件下短時(shí)蠕變?cè)囼?yàn)，研究分析了紅砂巖在蠕變?nèi)齻€(gè)階段的聲發(fā)射b值特征。趙奎[14]等人分析在不同應(yīng)力水平下巖石蠕變聲發(fā)射主頻的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力水平的增大，頻帶相應(yīng)變寬。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，通過聲發(fā)射監(jiān)測(cè)巖石穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的可行性，在巖體路基、地下礦井開挖過程中可有效對(duì)邊坡、礦柱等類似巖體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在開挖進(jìn)行與停止過程中，巖體截面不斷減小或不變，軸向應(yīng)力不斷增大或恒定，通過巖石在單軸壓縮與蠕變狀態(tài)下發(fā)射特征可較好的判斷巖柱的應(yīng)力狀態(tài)，從而進(jìn)行穩(wěn)定性分析。尤其在巖體路基中，由于在蠕變和單軸壓縮狀態(tài)下聲發(fā)射參數(shù)與巖石應(yīng)變的關(guān)系不同，可通過聲發(fā)射與巖石應(yīng)變的關(guān)系對(duì)邊坡的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而，聲發(fā)射在巖石蠕變現(xiàn)象的研究成果相對(duì)較少，有關(guān)巖石加速蠕變階段的聲發(fā)射研究更是欠缺。目前鮮有關(guān)于監(jiān)測(cè)巖石蠕變破壞的聲發(fā)射定量判據(jù)，因此，聲發(fā)射與巖石蠕變損傷關(guān)系的量化將會(huì)是今后的科學(xué)研究重點(diǎn)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜，聲發(fā)射技術(shù)的廣泛應(yīng)用還存在一定困難，例如如何應(yīng)對(duì)噪音的干擾，延長儀器的連續(xù)作業(yè)時(shí)間等問題上還有待研究。

參考文獻(xiàn)

[1]陳宇龍，魏作安，許江，等.單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（S2）：237-240.

[2]吳永勝，余賢斌.單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].金屬礦山，2008（10）：25-28.

[3]趙玉成，林斌，唐興宜，等.單軸壓縮下煤體聲發(fā)射特征及損傷演化過程分析[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（5）：1-7.

[4]蘇承東，郭保華，唐旭.漳村煤礦兩種尺度煤樣單軸壓縮聲發(fā)射特征的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（1）：12-18.

[5]紀(jì)洪廣，侯昭飛，張磊，等.載荷巖石材料在加載-卸荷擾動(dòng)作用下聲發(fā)射特性[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（1）：1-5.

[6]蘇承東，翟新獻(xiàn)，李寶富，等.砂巖單三軸壓縮過程中聲發(fā)射特征的試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28（2）：225-230.

[7]徐子杰，齊慶新，李宏艷，等.不同應(yīng)力水平下大理石蠕變損傷聲發(fā)射特性[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（S1）：70-74.

[8]楊永杰，王德超，趙南南，等.煤巖蠕變聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，21（1）：159-166.

[9]龔囪，陳輝.紅砂巖不同蠕變階段聲發(fā)射振幅與能量特征研究[J].中國礦業(yè)，2014，23（10）：144-149.

[10]王煜曦，王金安，唐君.斷裂巖石在蠕剪過程中的聲發(fā)射特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（S1）：2948-2958.

[11]王德超，楊永杰，李玉壽，等.煤樣蠕變變形規(guī)律及聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究[A].2010年海峽兩岸材料破壞斷裂學(xué)術(shù)會(huì)議暨第十屆破壞科學(xué)研討會(huì)第八屆全國MTS材料試驗(yàn)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2010.

[12]武晉文，趙陽升，萬志軍，等.熱力耦合作用魯灰花崗巖蠕變聲發(fā)射規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（S1）：3061-3067.

[13]龔囪，李長洪，趙奎.紅砂巖短時(shí)蠕變聲發(fā)射b值特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，40（S1）：85-92.

[14]趙奎，林穎，熊雪強(qiáng).不同應(yīng)力水平下砂巖蠕變聲發(fā)射頻率特征研究[J].銅業(yè)工程，2012（4）：22-24.