巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性研究現狀與展望★

羅 明 迪

(華北水利水電大學資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450011)

0 引言

巖石的流變特性與巖土工程的長期穩(wěn)定性和安全緊密相關，是巖石的重要力學特性之一。蠕變和應力松弛一直是巖石流變力學領域研究中的兩個重要方面[1]。巖石蠕變是指在恒定荷載條件下，巖石變形隨時間的增大而增大的現象。巖石流變效應中對巖石蠕變的研究在巖石力學理論和具體工程應用中具有十分重要的意義。

材料在力的作用下產生變形或斷裂時，以彈性波形式釋放出應變能的現象稱為聲發(fā)射，簡稱(AE)[2]。在巖石蠕變破壞過程中，由于聲發(fā)射監(jiān)測技術不僅能夠連續(xù)、實時地監(jiān)測巖石受力破壞時內部微裂紋的產生與擴展，而且可以對巖石受力破壞過程中內部微裂紋的演化特征進行定性或定量的描述，同時可以實現巖石具體破壞位置的定位，因此聲發(fā)射監(jiān)測相對其他監(jiān)測方法有著獨特的優(yōu)勢。

目前研究人員利用聲發(fā)射監(jiān)測巖石破壞，已有的成果集中在常規(guī)加載下巖體力學性質的聲發(fā)射試驗研究，也開展了巖石蠕變聲發(fā)射試驗研究。下面分別對國內外開展的巖石破壞聲發(fā)射試驗、巖石蠕變破壞過程聲發(fā)射特征、巖石蠕變破壞聲發(fā)射預測的研究現狀進行闡述。

1 巖石蠕變破壞聲發(fā)射特征研究現狀

1.1 巖石破壞聲發(fā)射試驗研究

吳永勝等[3]開展了兩組不同巖石在單軸加載條件下的聲發(fā)射試驗。分析了巖石受壓破壞過程中巖石體積變形與巖石聲發(fā)射數據、聲發(fā)射率與能率之間的關系，得出了在巖石受壓破壞過程，聲發(fā)射數據與巖石試樣的體積變形有比較好的關聯性，但這種關聯性在加載初期并不明顯;在巖石破壞過程中聲發(fā)射率和能率的變化并不完全一致，相比聲發(fā)射率聲發(fā)射能率的變化更加敏感，后者在預測巖石破壞時更為靈敏。

張茹等[4]開展了花崗巖在單軸多級加載條件下的聲發(fā)射試驗。分析了在各級荷載穩(wěn)壓時各項聲發(fā)射數據的變化規(guī)律。得出了在各級載荷穩(wěn)壓時，AE事件數趨于穩(wěn)定或者增加平緩，事件率、能率明顯降低；隨著荷載的增加當試件接近峰值強度時聲發(fā)射活動變得非?；钴S，隨后會進入聲發(fā)射平靜期；巖石受壓破壞前的平靜期中聲發(fā)射現象的突然急劇下降表明巖石即將發(fā)生受壓破壞。

徐速超等[5]對矽卡巖進行了單軸循環(huán)加卸載作用下的聲發(fā)射試驗研究。研究結果表明巖樣在循環(huán)加卸載時表現出反凱塞效應且隨著循環(huán)次數的增加費拉西蒂比逐步變小，在卸載時巖樣仍然產生了大量的聲發(fā)射現象。

李天一等[6]對花崗巖進行了直接拉伸和間接拉伸條件下的聲發(fā)射試驗。試驗結果表明:直接拉伸試驗加載開始至40%峰值應力階段后，聲發(fā)射計數和能量均開始增加,加載至接近峰值應力時,聲發(fā)射事件數達到最大;間接拉伸試驗整個破壞過程的聲發(fā)射計數率基本持平,但40%峰值應力前的加載階段的聲發(fā)射能率高于40%峰值應力后。

Tham等[7]進行了張力作用下花崗巖、大理石板材試件破壞過程中的聲發(fā)射試驗。分析了花崗巖和大理巖試樣破壞過程的聲發(fā)射數據，指出兩者材料的異質性差異導致了不同的斷口形貌和不同的聲發(fā)射數據特征。并對二維拉伸試驗的聲發(fā)射進行了數值模擬，模擬結果與試驗結果吻合效果較好。Ganne等[8]探討了巖石微裂紋與聲發(fā)射現象的相關性，闡述了聲發(fā)射技術在研究巖石物理力學性質中的優(yōu)點。

1.2 巖石蠕變破壞過程聲發(fā)射特征研究

呂培苓等[9]進行了單軸壓縮下兩種完整巖樣的蠕變破壞過程中聲發(fā)射試驗。分析了巖樣在三個蠕變階段的聲發(fā)射特征，得出了巖樣在不同蠕變階段聲發(fā)射信號強度、聲發(fā)射m值的變化規(guī)律。

趙奎等[10]對砂巖進行了分級循環(huán)加卸載條件下的蠕變聲發(fā)射試驗。分析了巖石試樣蠕變破壞過程中聲發(fā)射頻率在不同應力下的特征，得出了聲發(fā)射主頻在各分級蠕變中的變化，聲發(fā)射頻帶隨著應力的增加而變寬，指出了在各循環(huán)過程中試樣聲發(fā)射均出現次主頻的現象。

徐子杰等[11]對不同應力水平下大理石蠕變損傷聲發(fā)射特性開展了研究，定性分析了在不同的蠕變應力作用下，巖體承載能力、聲發(fā)射數據以及巖體裂紋的變化規(guī)律。

龔囪等[12]對紅砂巖開展了短時蠕變聲發(fā)射試驗研究。分析了巖樣在不同蠕變階段、不同應力水平下聲發(fā)射活動特征。指出可以根據不同應力水平下的聲發(fā)射特征來辨別紅砂巖具體處于哪一個蠕變階段。

1.3 巖石蠕變破壞聲發(fā)射預測研究

李元輝等[13]開展了單軸受壓巖石破壞聲發(fā)射實驗，分析了巖石破裂過程中在不同應力水平下聲發(fā)射b和空間分布分形維值的變化趨勢。指出在實際應用中可以將b值和分形維值結合起來進行巖體穩(wěn)定性檢測，兩者快速下降是巖體失穩(wěn)的前兆特征。

尹賢剛等[14]對巖石單軸受壓破壞全過程中聲發(fā)射分形維值和分形特征隨時間的變化規(guī)律進行了研究。得出隨著應力的持續(xù)增加，分形維值持續(xù)降低并在破壞前達到最低值。提出巖石破壞前分形維值的持續(xù)降低是巖石破壞的前兆特征。

董毓利等[15]采用MTS試驗系統(tǒng)進行了混凝土受壓全過程聲發(fā)射試驗，研究結果表明聲發(fā)射b值在應力—應變全曲線峰值處最小，并根據分形理論對混凝土受壓全過程分形維數進行了研究。

吳賢振等[16]對不同巖性的巖石進行了單軸壓縮聲發(fā)射試驗研究。分析了巖石破壞過程中聲發(fā)射分形以及時域特征。得出了巖石破壞過程中聲發(fā)射分維值D的變化規(guī)律，提出聲發(fā)射分維值D的持續(xù)下降是巖石破裂失穩(wěn)的前兆特征。

龔囪等[17]開展了分級加卸載下紅砂巖的短時蠕變聲發(fā)射試驗。分析了紅砂巖在不同蠕變階段的聲發(fā)射b值特征。得出了聲發(fā)射b值在不同蠕變過程中的具體變化規(guī)律，指出紅砂巖聲發(fā)射b值可以用來做為紅砂巖蠕變破壞的前兆特性。

2 巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性研究展望

以上巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性的研究工作，目前已經取得豐富的研究成果，豐富和完善了巖石力學理論研究，同時也有力的指導了巖土工程的具體實踐。然而由于巖石材料的各向異性、受力條件的復雜性以及蠕變試驗由于要求實驗儀器能夠長時間保持應力恒定的性能試驗技術難度大等原因，目前關于巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性的研究仍然存在著不足之處，有必要進一步深入開展相關的研究工作。具體可以圍繞以下幾個方面進行：

1)在巖石破壞聲發(fā)射試驗研究方面，現有的研究成果主要集中在常規(guī)加載下巖體破壞聲發(fā)射特性試驗研究。目前也開展了巖石蠕變破壞聲發(fā)射試驗，但由于蠕變試驗需要實驗儀器能夠長時間保持應力恒定的性能、實驗時間長、試驗技術難度大、蠕變破壞時應力選取困難等原因，巖石蠕變破壞聲發(fā)射試驗研究開展的比較少，對巖石的蠕變破壞聲發(fā)射特性的研究尚不深入。工程實踐中，巖體蠕變性質是影響工程長期穩(wěn)定性和安全性的重要因素，因此有必要進一步深入開展巖石蠕變破壞聲發(fā)射試驗研究。

2)現有的巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性的研究工作主要集中在定性分析方面，沒有給出蠕變破壞的定量判據，缺少試驗驗證與理論支撐。分形理論在巖石力學性質的分析研究上有著重要的作用，可以作為巖石蠕變破壞定量研究方面的理論支撐。因此有必要進一步開展巖石蠕變破裂過程中聲發(fā)射b值及分形維值D的變化特征研究，同時對二者之間的關系進行定量研究，以求為難以確定的巖石蠕變破裂臨界值問題尋找一種定量的解決辦法，為巖土工程中聲發(fā)射監(jiān)測預報技術的應用提供依據。

3)相比于室內試驗，數值模擬具有用時短、可重復性好等優(yōu)點，是巖石流變力學重要的研究手段之一。目前在巖石蠕變破壞方面已經開展了比較豐富的數值模擬研究工作。然而，采用數值模擬方法進行巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性方面的研究尚不深入。因此，在巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性試驗研究基礎上，可以采用數值模擬方法深入研究巖石的時效力學行為，進一步揭示巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性,為工程實踐提供理論依據。

3 結語

目前巖石蠕變破壞特性研究仍存在一些不足之處，對巖石蠕變破壞聲發(fā)射預測方法的理論研究仍然滯后于工程實踐。其原因在于:巖石材料的非均質性、各向異性；巖石蠕變試驗時間比較長,試驗技術難度較大；如何對大量復雜的聲發(fā)射數據進行提取、分析也是制約開展巖石蠕變聲發(fā)射試驗的重要原因之一。隨著工程實踐的進行，各種大型巖體工程的不斷出現，將有力的推動巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性研究的發(fā)展，為巖體工程的長期穩(wěn)定性和安全提供科學依據。

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