基于聲發(fā)射監(jiān)測的含水巖石動態(tài)損傷演化過程試驗研究*

高子興,夏 冬，楊意德，李友偉

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 河北 唐山市 063009；2.華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室， 河北 唐山市 063009)

0 引 言

AE是指材料或結(jié)構(gòu)在外部載荷作用下，以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象[1]。AE技術(shù)可實時動態(tài)監(jiān)測巖石材料內(nèi)部微裂紋萌生、擴展，揭示其損傷演化過程[2]。通過對材料受載過程中AE事件動態(tài)演分析，有助于揭示巖石損傷破壞過程的動態(tài)演化規(guī)律[3]。國內(nèi)外諸多學(xué)者對巖石損傷破壞過程中AE定位開展了廣泛而深入的研究，20世紀60年代晚期，K. Mogi[4]應(yīng)用AE定位技術(shù)，對花崗巖板在彎曲變形條件下的二維定位進行了研究，其后，C. H. Scholz[5]采用6個AE探頭，應(yīng)用最小二乘法獲得了單軸壓縮條件下AE事件的空間位置，開創(chuàng)了多通道擬合AE源定位算法。D. P. Janson[6]等應(yīng)用AE監(jiān)測技術(shù)，對巖石損傷演化過程中裂紋累積、成核及宏觀擴展規(guī)律進行了研究；裴建良等[7]應(yīng)用AE及其定位技術(shù)，對單軸加載條件下大理巖巖樣破裂過程中內(nèi)部不同空間組合類型自然裂隙的空間動態(tài)演化過程進行了研究，實現(xiàn)了自然裂隙及其擴展過程的精確定位；左建平等[8]采用AE監(jiān)測系統(tǒng)對煤、巖和煤巖組合體損傷破壞過程中的力學(xué)行為和AE行為進行了實時監(jiān)測，獲得了其AE三維空間分布規(guī)律；張鵬海等[9]對蝕變花崗巖破壞過程中AE事件的演化規(guī)律開展了試驗研究，研究結(jié)果為預(yù)測巖石的破壞提供試驗依據(jù)；劉建坡等[10]采用單純形定位算法，對預(yù)制孔巖石試件損傷破壞過程中的AE時空演化特征進行了研究。

上述研究成果極大地提高了人們對巖石破裂失穩(wěn)過程中AE時空演化規(guī)律的認識，但這些研究多針對于干燥巖石，很少涉及天然與飽水狀態(tài)巖石損傷破壞過程中AE的時空演化規(guī)律，而大多數(shù)的巖體工程多處于含水或飽水狀態(tài)。針對這一問題，采用基于最小二乘法的AE組合定位算法[11]，對中關(guān)鐵礦干燥、天然及飽水狀態(tài)下的閃長巖在單軸加載條件下的動態(tài)損傷演化過程進行研究，研究成果有助于進一步認識巖體失穩(wěn)破壞機制，為提高含水巖體失穩(wěn)監(jiān)測精度提供試驗依據(jù)。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

將從中關(guān)鐵礦地下約600 m深處取回的閃長巖巖塊加工成高徑比為2∶1的圓柱體巖樣，巖樣直徑約為48 mm，加工精度符合相關(guān)試驗規(guī)程。根據(jù)試驗要求，干燥、天然及飽水巖樣分別為3個，各巖樣的具體尺寸和縱波波速見表1。

1.2 試驗方法

試驗采用加載速率為10 kN/min的單軸應(yīng)力加載方式。試驗設(shè)備由TAW-3000微機控制電液伺服試驗機和PCI-Ⅱ監(jiān)測系統(tǒng)組成，AE傳感器型號為Nano30，試驗裝置和傳感器位置示意圖見圖1。

表1 巖樣尺寸及縱波波速

圖1 試驗系統(tǒng)和傳感器位置

AE監(jiān)測系統(tǒng)具體參數(shù)設(shè)置為：前置增益40 dB，傳感器頻率為125～750 kHz，門檻值和主放分別為45 dB和40 dB，采樣頻率為1 MHz。傳感器距試件端面距離20 mm，試驗時，在試件與傳感器接觸部位涂抹黃油進行耦合。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 聲發(fā)射定位精度的驗證

試驗前為檢驗定位算法的精度，采用0.5 mm的HB鉛筆芯斷鉛試驗?zāi)M源進行傳感器響應(yīng)和定位誤差的測算。本次所有斷鉛試驗的試驗點均選在1、5傳感器連線的中點處，每組試驗重復(fù)10次。干燥、天然及飽水巖樣的定位結(jié)果如圖2所示。

圖2 閃長巖斷鉛試驗定位結(jié)果

根據(jù)實際斷鉛位置與定位結(jié)果對比分析可知，天然、干燥及飽水巖樣的定位誤差的平均值分別為4.44， 4.04 mm和2.44 mm。

2.2 干燥巖樣的AE定位結(jié)果與分析

AE事件實時動態(tài)顯示是研究巖石動態(tài)損傷演化過程的前提。本文按照AE事件產(chǎn)生的時間順序和能級大小進行三維動態(tài)顯示，AE事件能量的大小由球的直徑?jīng)Q定，能量與球的直徑成正比。

干燥狀態(tài)典型巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變-AE能率曲線、應(yīng)力-應(yīng)變-AE能量累積數(shù)曲線及AE事件的動態(tài)演化規(guī)律分別如圖3～圖5所示。

圖3 干燥狀態(tài)巖樣應(yīng)力-應(yīng)變-AE能率曲線

圖4 干燥狀態(tài)巖樣應(yīng)力-應(yīng)變-AE能量累積數(shù)曲線

圖5 干燥狀態(tài)巖樣不同應(yīng)力水平聲發(fā)射時空演化規(guī)律

根據(jù)圖3中AE能率與應(yīng)力之間的關(guān)系，將應(yīng)力-應(yīng)變-AE能率曲線劃分為初始壓密階段、彈性變形階段、損傷演化階段和失穩(wěn)破裂階段，各階段對應(yīng)于圖3中的OA段、AB段、BD段和D點以后階段，其中C點為巖石受擾動容易破裂失穩(wěn)的分界點。

由圖3、圖4可見，在OA和AB段，巖樣內(nèi)部幾乎沒有AE能量釋放，在BD段，隨軸向應(yīng)力的增大，巖樣內(nèi)部有大量的AE能量釋放，在該階段，AE能率增大并呈階躍變化，AE能量累積數(shù)快速增多，D點以后，幾乎沒有AE能量釋放。

由圖5可見，干燥巖樣在低于0.5σc(σc為峰值應(yīng)力)時，巖樣內(nèi)部累計產(chǎn)生的AE事件數(shù)約為其破裂失穩(wěn)時AE事件總數(shù)的12.5%，AE事件主要集中于巖樣的端部，這是因為在這一過程中，巖樣端部產(chǎn)生了損傷裂紋。當應(yīng)力由0.5σc增大到0.6σc這一過程中，新增AE事件數(shù)約為其總數(shù)的8.5%，新增AE事件有向巖樣內(nèi)部發(fā)展的趨勢，且主要出現(xiàn)于巖樣最終破裂面附近；當應(yīng)力由0.6σc增大到0.7σc這一過程中，新增AE事件數(shù)約為其總數(shù)的5%，從圖3也可以看出，該階段AE能率相對較小，新增AE事件主要出現(xiàn)在巖樣的中部；當應(yīng)力由0.7σc增大到0.8σc這一過程中，AE能率出現(xiàn)了一次大的階躍變化，新增AE事件數(shù)約為其總數(shù)的11.5%；當應(yīng)力由0.8σc增大到0.9σc這一過程中，這一階段AE能率相對較小，但該階段巖樣釋放的能量相對較多，新增AE事件數(shù)約為其總數(shù)的12.5%；當應(yīng)力超過0.9σc時，巖樣處于失穩(wěn)破裂前夕，該階段AE能率、AE能率累積數(shù)及AE事件數(shù)急劇增大，新增AE事件數(shù)約為總數(shù)的50%，該階段破壞裂紋貫通，巖樣發(fā)生宏觀破壞。在上述各應(yīng)力階段，AE事件均有向巖樣最終破裂面附近集群的趨勢，且主要分布于最終破裂面兩側(cè)。

2.3 天然巖樣的AE定位結(jié)果與分析

天然狀態(tài)下典型巖樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變-AE能率曲線及軸向應(yīng)力-應(yīng)變-AE能量累積數(shù)曲線分別如圖6、圖7所示，不同應(yīng)力水平時累積AE事件在空間中的分布如圖8所示。

由圖6、圖7可見，在OA和AB段，AE能率和能量累積數(shù)幾乎為零，這兩個階段分別處于巖樣的壓密與彈性變形階段。BD段，該階段的應(yīng)力區(qū)間為(0.43～1.0)σc，其中C點的應(yīng)力為0.73σc，在BC段，AE能率和能量累積數(shù)均有小幅增大，CD段，AE能率出現(xiàn)階躍變化，能量累積數(shù)急劇增大。

圖6 天然巖樣應(yīng)力-應(yīng)變-AE能率曲線

圖7 天然巖樣應(yīng)力-應(yīng)變-AE能量累積數(shù)曲線

圖8 天然巖樣不同應(yīng)力水平聲發(fā)射時空演化規(guī)律

由圖8可見，天然巖樣在低于0.5σc時，巖樣內(nèi)部有少量AE事件產(chǎn)生，且產(chǎn)生的AE事件分布隨機；當應(yīng)力由0.5σc增大到0.8σc這一過程中，新增AE事件數(shù)約為其總數(shù)的17.6%，新增AE事件主要出現(xiàn)于巖樣最終破裂面附近，但分布依舊較為分散；當應(yīng)力由0.8σc增大到0.9σc這一過程中，巖樣處于損傷演化階段后期，新增AE事件數(shù)約為其總數(shù)的10.8%，通過對比該階段AE定位結(jié)果與巖樣最終破裂面位置關(guān)系發(fā)現(xiàn)，AE事件主要集中于最終破裂面；當巖樣所受壓力接近其峰值強度時，AE能率、AE能量累積數(shù)及AE事件數(shù)快速增加，巖樣達到峰值強度時，巖樣失穩(wěn)破壞，此時，AE事件數(shù)不再增多，該階段新增AE事件數(shù)約為其總數(shù)的60.9%，該階段新增AE事件絕大多數(shù)集中于巖樣最終破裂面附近，少數(shù)呈離散狀分布。

2.4 飽水巖樣的AE定位結(jié)果與分析

飽水狀態(tài)下典型閃長巖巖樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變-AE能率關(guān)系曲線及軸向應(yīng)力-應(yīng)變-AE能量累積數(shù)關(guān)系曲線如圖9、圖10所示，不同應(yīng)力水平時累積AE事件在空間中的分布如圖11所示。

由圖9、圖10可見，在OA和AB段，AE能率和AE能量累積數(shù)幾乎為零。BD段所處的應(yīng)力區(qū)間為0.76～1.0σc，其中C點的應(yīng)力為0.90σc，BC段，AE能率和能量累積數(shù)均有小幅增大，CD段，AE能率出現(xiàn)階躍變化，AE能量累積數(shù)急劇增大。

由圖11可見，飽水巖樣在(0～0.5)σc應(yīng)力區(qū)間，巖樣內(nèi)有少量AE事件產(chǎn)生。當應(yīng)力由0.5σc增大到0.9σc這一過程中，新增AE事件數(shù)約為其總數(shù)的28.56%，新增AE事件主要集中于最終破裂面附近，且接近于最終破裂面，當應(yīng)力超過0.9σc直至巖樣最終破裂這一過程中，新增AE事件數(shù)約為其總數(shù)的62.9%，并有向最終破裂面附近集群的趨勢。

對比分析上述3種含水狀態(tài)巖樣損傷演化過程AE事件動態(tài)變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)：在低應(yīng)力(應(yīng)力<0.5σc)階段，干燥巖樣內(nèi)部有少量AE事件產(chǎn)生，而天然與飽水巖樣內(nèi)部幾乎沒有AE事件產(chǎn)生；在0.5～0.9σc應(yīng)力區(qū)間內(nèi)，各巖樣內(nèi)部均有一定數(shù)量的AE事件產(chǎn)生，且飽水巖樣產(chǎn)生的AE事件最接近于最終破裂面；在失穩(wěn)破裂階段，干燥、天然、飽水巖樣內(nèi)部AE事件所占各巖樣AE事件的比例依次遞增，且干燥與飽水巖樣AE事件集中出現(xiàn)在巖樣失穩(wěn)前的一段時間內(nèi)，而飽水巖樣的AE事件集中出現(xiàn)于巖樣失穩(wěn)破裂前的一瞬間。

圖9 飽水狀態(tài)巖樣應(yīng)力-應(yīng)變-AE能率曲線

圖10 飽水狀態(tài)巖樣應(yīng)力-應(yīng)變-AE能量累積數(shù)曲線

圖11 飽水狀態(tài)巖樣不同應(yīng)力水平時累積AE試件空間分布

4 結(jié) 論

(1) 含水狀態(tài)對巖樣AE事件的精度和事件數(shù)均有顯著影響，干燥、天然及飽水閃長巖的定位誤差分別為3.46，4.44 mm和2.44 mm。天然、飽水巖樣的聲發(fā)射事件數(shù)分別為干燥巖樣的37.2%和17.6%。

(2) 在低應(yīng)力階段，干燥巖樣內(nèi)部產(chǎn)生的AE事件多于天然與飽水巖樣；在0.5～0.9σc應(yīng)力區(qū)間內(nèi)，各巖樣內(nèi)部均有一定數(shù)量的AE事件產(chǎn)生；在失穩(wěn)破裂階段，干燥、天然、飽水巖樣內(nèi)部AE事件所占各巖樣AE事件的比例依次遞增。

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