預(yù)制節(jié)理巖體卸荷損傷破壞機(jī)理及聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究

曹吉?jiǎng)? ，戴前偉 ，馬德鵬

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410083；3. 中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶，400037；4. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安， 271018)

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件制備

試驗(yàn)所用巖塊為山東濟(jì)寧礦區(qū)的砂巖，巖石無可見的裂隙、節(jié)理，質(zhì)地較均勻，在煤礦井下挑選出大塊巖石后密封包裝，運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室之后進(jìn)行取樣加工，按照巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，用取芯機(jī)鉆取巖芯，經(jīng)過切割、打磨制備成直徑×高度為50 mm×100 mm的圓柱型試件。而后采用機(jī)械加工法制備巖樣的節(jié)理。首先，在試件表面鉆取直徑為2 mm的貫通圓孔；而后，采用鋼絲鋸穿過圓孔進(jìn)行切割，形成長度為22 mm、傾角為45°、寬度為1 mm左右的節(jié)理。節(jié)理切割后用石膏進(jìn)行填充，制備的試驗(yàn)試件如圖1所示。

圖1 巖樣示意圖Fig. 1 Sketche of rock sample

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用 MTS815.02 型電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)及AE21C聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)可以滿足多種復(fù)雜路徑下的試驗(yàn)需求，具體的試驗(yàn)方案見表1。

1)常規(guī)三軸試驗(yàn)。采用應(yīng)力控制的方式增加圍壓，即按靜水壓力條件逐步施加圍壓至設(shè)定值10 MPa；保持圍壓恒定，采用位移控制的方式提高軸壓至巖樣破壞，軸向位移加載速率為2 μm/s。

2)三軸卸圍壓試驗(yàn)。按照靜水壓力條件逐步施加圍壓σ3至10 MPa；保持圍壓σ3不變，通過應(yīng)力控制的方式提高軸壓σ1至巖樣常規(guī)三軸壓縮峰值應(yīng)力的80%；采用位移控制方式繼續(xù)增加軸壓σ1，同時(shí)圍壓σ3以0.05 MPa/s的速率卸除直至巖樣破壞；破壞后，立即停止卸圍壓，沿軸向繼續(xù)加載至巖樣的殘余強(qiáng)度。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme

在進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)全過程監(jiān)控采集巖樣在試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射信息。聲發(fā)射參數(shù)如下：采樣頻率為10 MHz，增益為30 dB，門檻值為35 dB。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力?應(yīng)變曲線分析

圖 2所示為完整巖樣和節(jié)理巖樣在圍壓10 MPa下的常規(guī)三軸壓縮及三軸卸荷條件下應(yīng)力?應(yīng)變曲線。從圖2可以看出：不同巖樣在常規(guī)三軸壓縮及三軸卸荷試驗(yàn)條件下，應(yīng)力?應(yīng)變曲線的變化趨勢大致相同，包括壓密階段、彈性階段、破壞階段及殘余階段，軸向變形曲線表現(xiàn)出較明顯的線性段；與完整巖樣相比，節(jié)理巖樣極限強(qiáng)度明顯減小，巖樣在發(fā)生破壞過程中，并不是一次性破壞，存在明顯的應(yīng)力降現(xiàn)象。每一次應(yīng)力降的產(chǎn)生都是裂紋擴(kuò)展的體現(xiàn)。

試驗(yàn)中，節(jié)理巖體的脆性特征與完整巖樣的脆性特征相比不夠明顯，表明節(jié)理巖樣在荷載作用下，節(jié)理面位置處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展、貫通，局部破壞首先產(chǎn)生；巖體局部發(fā)生破壞后，荷載由其他未破壞的部分繼續(xù)承擔(dān)，當(dāng)施加的載荷再次增大時(shí)，應(yīng)力集中的位置又會(huì)產(chǎn)生破壞。如此反復(fù)進(jìn)行，直到巖樣失去承載能力而發(fā)生整體破壞為止。

圖2 不同試驗(yàn)條件下試樣應(yīng)力?軸向應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress?strain curves under different triaxial compressions and unloading failures

與節(jié)理巖樣相比，完整巖樣在加載過程中，巖體內(nèi)部受力較均勻，整體上達(dá)到極限強(qiáng)度的時(shí)間大致相同，應(yīng)力?應(yīng)變曲線在巖樣整體破壞后急劇下降，呈現(xiàn)出明顯的脆性跌落特征。

六是進(jìn)一步完善老年教育政策保障。明確老年教育的發(fā)展方向，建立健全長效工作機(jī)制，把老年教育工作納入教育發(fā)展規(guī)劃和督導(dǎo)檢查內(nèi)容；市、區(qū)政府相關(guān)部門齊抓共管，定期研究，協(xié)調(diào)解決老年教育有關(guān)問題；增加老年教育經(jīng)費(fèi)投入，建立以受教育者購買服務(wù)為主，社會(huì)資本投入為輔，政府適當(dāng)補(bǔ)貼的機(jī)制。

2.2 變形特征分析

不論是完整巖樣還是節(jié)理巖樣，與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)相比，在卸荷試驗(yàn)中巖樣的脆性特征較明顯。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生較脆的破壞聲音，軸向應(yīng)變?應(yīng)力曲線在峰值后呈現(xiàn)出明顯的突降趨勢。

在軸向加載階段，隨著軸壓的增加應(yīng)力?應(yīng)變曲線呈近直線型，軸向應(yīng)變的斜率小于環(huán)向應(yīng)變斜率，環(huán)向應(yīng)變增加速度變小，與常規(guī)三軸壓縮結(jié)果相似，此時(shí)，體積應(yīng)變的變化主要受軸向應(yīng)變的影響。不同類型巖樣的環(huán)向應(yīng)變變化情況有一定差異，節(jié)理巖樣內(nèi)部裂隙發(fā)育，巖樣環(huán)向應(yīng)變斜率較小，環(huán)向變形較明顯。

卸圍壓開始后，環(huán)向應(yīng)變的增加速度則明顯加大，特別是節(jié)理巖樣，體積應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變的變化規(guī)律基本相同，也開始左拐，并且增加速度越來越快，巖樣開始膨脹。

隨著圍壓繼續(xù)降低，巖樣的承載能力開始下降，巖樣發(fā)生破裂失穩(wěn)。在三軸卸圍壓試驗(yàn)中，隨著圍壓降低，圍壓對巖樣表面的約束作用減弱，使得巖樣卸圍壓破壞程度與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果相比更劇烈，特別是節(jié)理巖樣，其應(yīng)力?應(yīng)變曲線的變化趨勢與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果相比明顯不同。

2.3 強(qiáng)度特征分析

不同試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出：不同類型巖樣常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的強(qiáng)度都高于三軸卸圍壓試驗(yàn)的強(qiáng)度，如完整巖樣在常規(guī)三軸壓縮作用下平均強(qiáng)度為147 MPa，而其在三軸卸圍壓作用下的平均強(qiáng)度為133 MPa；含有預(yù)制節(jié)理的巖樣常規(guī)三軸壓縮作用下的平均強(qiáng)度為102 MPa，而在三軸卸圍壓作用下其平均強(qiáng)度為83 MPa，上述試驗(yàn)結(jié)果表明卸圍壓條件下巖樣更容易產(chǎn)生破裂。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算完整巖樣、含有預(yù)制節(jié)理巖樣在常規(guī)三軸試驗(yàn)與三軸卸圍壓試驗(yàn)下的強(qiáng)度之差，可得完整巖樣及節(jié)理巖樣常規(guī)三軸強(qiáng)度與三軸卸圍壓強(qiáng)度之差的平均值分別為13.43 MPa和19.26 MPa。與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)相比，完整巖樣、含有預(yù)制節(jié)理巖樣在三軸卸圍壓試驗(yàn)下巖樣峰值強(qiáng)度的平均降幅分別為9.13%和18.81%，可以看出不同類型巖樣受試驗(yàn)路徑的影響程度不同，節(jié)理巖樣受應(yīng)力路徑的影響最明顯，表明節(jié)理巖石試件在卸圍壓試驗(yàn)時(shí)較完整巖石更易發(fā)生破壞。

表2 三軸壓縮及卸荷試驗(yàn)破壞試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of unloading and triaxial compression failure

3 節(jié)理巖體卸荷破壞聲發(fā)射特征分析

不同巖樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率曲線、振幅分布曲線分別如圖3和圖4所示。從圖3可見：不同類型巖樣在卸荷損傷破裂各個(gè)階段的規(guī)律性大致相似，可分為壓密階段、彈塑性階段、卸圍壓及破裂階段、宏觀破裂階段。

在壓密階段中，與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)相似，巖樣內(nèi)部原生裂隙閉合，出現(xiàn)零星的聲發(fā)射現(xiàn)象，振鈴計(jì)數(shù)率一般在10次/s以內(nèi)，其頻度和能量都很小。隨后，巖樣進(jìn)入彈塑性階段。在該階段前期，聲發(fā)射活動(dòng)也很微弱，隨著軸向應(yīng)力增加，內(nèi)部能量積聚，巖樣內(nèi)部原生裂隙擴(kuò)展，出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象，但總體上仍然微弱，振鈴計(jì)數(shù)率為200次/s左右；在彈塑性階段后期即巖樣卸圍壓前，裂紋萌生、擴(kuò)展數(shù)量較多，聲發(fā)射事件數(shù)量明顯增多，與彈塑性階段前期相比，振鈴計(jì)數(shù)率增大數(shù)倍，聲發(fā)射活動(dòng)進(jìn)入活躍期。

圖3 巖石三軸壓縮及卸荷破壞聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率曲線Fig. 3 AE CNT curves of rock samples under triaxial compression and unloading failure

圖4 巖石三軸壓縮及卸荷破壞聲發(fā)射振幅分布曲線Fig. 4 AE amplitude distribution of rock samples under triaxial compression and unloading failure

卸圍壓開始后，圍壓逐漸減小而軸向載荷繼續(xù)增加，巖樣內(nèi)部出現(xiàn)尺度較大、數(shù)目較多的裂紋，聲發(fā)射活動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)；隨著載荷繼續(xù)增加和圍壓持續(xù)降低，聲發(fā)射事件開始減少，與活躍期相比，聲發(fā)射事件數(shù)量大幅度降低，出現(xiàn)一段時(shí)間的“相對沉寂”；相對沉寂期過后，巖樣達(dá)到峰值應(yīng)力點(diǎn)，而后進(jìn)入破裂階段，此時(shí)，巖樣內(nèi)部裂紋開始迅速擴(kuò)展、匯合、貫通，聲發(fā)射事件迅速增多，直至巖樣突然破壞，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能量都達(dá)到最大值，聲發(fā)射活動(dòng)極度活躍。與完整巖樣不同的是：節(jié)理巖樣在破裂階段并不是一次性破裂的，節(jié)理巖樣在破裂過程中發(fā)生多次應(yīng)力降，每次應(yīng)力降發(fā)生時(shí)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率都產(chǎn)生突增，但除最后一次外，每次應(yīng)力降對應(yīng)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率都比前一次有所降低。此外，節(jié)理巖樣產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴強(qiáng)度與完整巖樣相比其強(qiáng)度有所減弱，表明完整巖樣卸荷破壞程度更強(qiáng)烈。

宏觀破裂發(fā)生后，形成宏觀破裂面，巖樣進(jìn)入殘余破碎過程，振鈴計(jì)數(shù)大幅度降低。在殘余階段后期，部分巖樣的聲發(fā)射事件甚至消失。與常規(guī)三軸聲發(fā)射試驗(yàn)相似，三軸卸圍壓時(shí)巖樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)及能量出現(xiàn)最大值的時(shí)間均稍滯后于其峰值應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)間。

對比分析完整巖樣、節(jié)理巖樣振幅幅值分布可知：由于節(jié)理巖樣裂紋較發(fā)育，因此，在常規(guī)三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)中，其聲發(fā)射振幅在整個(gè)試驗(yàn)中的分布范圍要比完整巖樣的大；但在三軸卸荷試驗(yàn)中，常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)與卸荷試驗(yàn)的振幅分布規(guī)律基本相似。

在三軸卸荷試驗(yàn)中，不同巖樣的聲發(fā)射幅值總體分布范圍為40~90 dB。在試驗(yàn)開始階段，巖樣幅值的分布區(qū)間逐漸增大，幅值也逐漸增大，但變化范圍不大；卸圍壓開始后，隨著巖樣裂紋擴(kuò)展，聲發(fā)射幅值分布區(qū)間開始增大，幅值峰值也逐漸達(dá)到最大；巖樣破壞后，幅值分布區(qū)間與破裂階段的分布區(qū)間基本相同，但低幅值區(qū)域明顯變密，說明此階段除了有許多大的破裂出現(xiàn)外，還存在一些小的破裂，使得幅值分布呈現(xiàn)強(qiáng)度大、范圍廣的規(guī)律。

4 結(jié)論

1)與完整巖樣相比，節(jié)理巖樣的破壞并不是一次性的，存在明顯的應(yīng)力降現(xiàn)象。每一次產(chǎn)生應(yīng)力降時(shí)，其脆性特征與完整巖樣相比不夠明顯。

2)在卸荷試驗(yàn)中，節(jié)理巖樣與完整巖樣的環(huán)向應(yīng)變變化規(guī)律不同。由于節(jié)理巖樣內(nèi)部裂隙發(fā)育，其環(huán)向應(yīng)變斜率較小，環(huán)向變形較明顯。

3)在卸荷試驗(yàn)中，節(jié)理巖樣極限強(qiáng)度明顯比完整巖樣的小，兩者強(qiáng)度之差的平均值分別為13.43 MPa和19.26 MPa；與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)相比，不同類型巖樣卸圍壓試驗(yàn)下巖樣峰值強(qiáng)度的平均降幅分別為9.13%和18.81%。節(jié)理巖樣受應(yīng)力路徑的影響明顯，表明在卸荷試驗(yàn)中節(jié)理巖樣更易發(fā)生破壞。

4)節(jié)理巖樣在破裂過程中發(fā)生多次應(yīng)力降，每次應(yīng)力降發(fā)生時(shí)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率都突增；此外，節(jié)理巖樣在卸荷試驗(yàn)中的破壞程度與完整巖樣的破壞程度相比較弱。

[1]WANG Ruihong, LI Jianlin, GUO Jing, et al. Experimental study of mechanical properties of rock mass containing intermittent joints of prefabricated[J]. Advanced Materials Research, 2011,168/169/170: 2468?2472.

[2]CAI Min, KAISER P K, TASAKA Y, et al. Generalized crack initiation and crack damage stress thresholds of brittle rock masses near underground excavations[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004, 41(5): 833?847.

[3]李術(shù)才, 朱維申. 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷機(jī)制研究及其應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 1999, 18(2):142?146.LI Shucai, ZHU Weishen. Fracture damage mechanism of discontinuous jointed rock mass under the state of complex stress and its application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999, 18(2): 142?146.

[4]EBERHARDT E, STEAD D, STIMPSON B, et al. The effect of neighbouring cracks on elliptical crack initiation and propagation in uniaxial and triaxial stress fields[J]. Engineering Fracture Mechanics, 1998, 59(2): 103?115.

[5]王士民, 劉豐軍, 葉飛, 等. 含預(yù)制裂紋脆性巖石破壞數(shù)值模擬研究[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(增刊 1): 235?238.WANG Shimin, LIU Fengjun, YE Fei, et al. The numerical simulation to model failure of brittle rock with prefab crack[J].Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(Supp1): 235?238.

[6]YANG Zhenfan, CHEN Jimin, HUANG Tinghe. Effect of joint sets on the strength and deformation of rock mass models[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1998, 35(1): 75?84.

[7]NASSERI M H, RAO K S, RAMAMURTHY T. Failure mechanism in schistose rocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1997, 34(3): 219?219.

[8]LAJTAI E Z. A theoretical and experimental evaluation of the Griffith theory of brittle fracture[J]. Tectonophysics, 1971, 11(2):129?156.

[9]BRACE W F, BOMBOLAKIS E G. A note on brittle crack growth in compression[J]. Journal of Geophysical Research,1963, 68(12): 3709?3713.

[10]SHEN Baotang. The mechanics of fracture coalescence in compression experimental study and numerical simulation[J].Engineering Fracture Mechanics, 1993, 51(1): 73?85.

[11]BOBET A. The initiation of secondary cracks in compression[J].Engineering Fracture Mechanics, 2000, 66(2): 187?219.

[12]李宏哲, 夏才初, 王曉東, 等. 含節(jié)理大理巖變形和強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(10):2118?2123.LI Hongzhe, XIA Caichu, WANG Xiaodong, et al. Experimental study of deformation and strength properties of jointed marble specimens[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(10): 2118?2123.

[13]楊圣奇, 溫森, 李良權(quán). 不同圍壓下斷續(xù)預(yù)制裂紋粗晶大理巖變形和強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007, 26(8): 1572?1587.YANG Shengqi, WEN Sen, LI Liangquan. Experimental study of deformation and strength properties of coarse marble with discontinuous pre-existing cracks under different confining pressures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(8): 1572?1587.

[14]高艷華, 吳順川, 王賀, 等. 基于持續(xù)屈服節(jié)理模型的節(jié)理直剪數(shù)值試驗(yàn)[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 47(4):1253?1261.GAO Yanhua, WU Shunchuan, WANG He, et al. Numerical simulation of joint direct shear test based on continuously yielding joint model[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2016, 47(4): 1253?1261.

[15]王飛, 杜建坡, 李秀芬. 節(jié)理巖體卸荷強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 2008, 19(3): 104?108.WANG Fei, DU Jianpo, LI Xiufen. Experimental study of strength behavior of jointed rock mass under the unloading state[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation, 2008, 19(3): 104?108.

[16]李建林, 王樂華. 節(jié)理巖體卸荷非線性力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 26(10): 1968?1975.LI Jianlin, WANG Lehua. Study of unloading nonlinear mechanical characteristics of jointed rock mass[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(10):1968?1975.

[17]金愛兵, 孫浩, 孟新秋, 等. 非貫通節(jié)理巖體等效強(qiáng)度及破壞特性[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 47(9): 3169?3176.JIN Aibing, SUN Hao, MENG Xinqiu, et al. Equivalent strength and failure behavior of intermittent jointed rock mass[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2016,47(9): 3169?3176.

[18]周喻, 韓光, 吳順川, 等. 斷續(xù)節(jié)理巖體及巖質(zhì)邊坡破壞的細(xì)觀機(jī)制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2016, 35(S2): 3878?3889.ZHOU Yu, HAN Guang, WU Shunchuan, et al. Meso failure mechanism of rock mass and slope with intermittent joints[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016,35(S2): 3878?3889.

[19]周喻, 王莉, 丁劍鋒, 等. 多尺度節(jié)理巖體力學(xué)特性的顆粒流分析[J]. 巖土力學(xué), 2016, 37(7): 2085?2095+2127.ZHOU Yu, WANG Li, DING Jianfeng, et al. Particle flow code analysis of multi-scale jointed rock mass based upon equivalent rock mass technique[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(7):2085?2095+2127.

[20]李曉鋒, 李海波, 夏祥, 等. 類節(jié)理巖石直剪試驗(yàn)力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究[J]. 巖土力學(xué), 2016, 37(2): 583?591.LI Xiaofeng, LI Haibo, XIA Xiang, et al. Numerical simulation of mechanical characteristics of jointed rock in direct shear test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(2): 583?591.

[21]黃達(dá), 岑奪豐, 黃潤秋. 單裂隙砂巖單軸壓縮的中等應(yīng)變率效應(yīng)顆粒流模擬[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(2): 535?545.HUANG Da, CEN Duofeng, HUANG Runqiu. Influence of medium strain rate on sandstone with a single pre-crack under uniaxial compression using PFC simulation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(2): 535?545.

[22]宿輝, 李長洪. 不同圍壓條件下花崗巖壓縮破壞聲發(fā)射特征細(xì)觀數(shù)值模擬[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(11):1312?1318.SU Hui, LI Changhong. Mesoscopic numerical simulation of acoustic emission experiment in rock compression failure under different confining pressures[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2011, 33(11): 1312?1318.