節(jié)理巖體聲發(fā)射特性試驗研究

孫旭曙，遲 健，陳 超，黃葉寧，劉 洋，梁佳燈

（三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌443002）

1 研究背景

聲發(fā)射［1］指的是固體內(nèi)部缺陷（或潛在的缺陷）在外部荷載作用下應(yīng)力高度集中，應(yīng)變能增大，當(dāng)外部荷載超過某一臨界值時，缺陷區(qū)域發(fā)生微觀屈服或變形，使應(yīng)力得到松弛，多余能量以彈性波的形式瞬時釋放的一種現(xiàn)象。巖石在變形、斷裂和破壞時均有聲發(fā)射現(xiàn)象，其強度和頻度與材料的性質(zhì)有關(guān)。然而，天然巖體受結(jié)構(gòu)面切割而形成具有特殊結(jié)構(gòu)的不連續(xù)體，其變形、強度特征和破壞模式比巖石復(fù)雜得多［2］，將導(dǎo)致天然巖體的聲發(fā)射特性比巖塊較為復(fù)雜。因此，研究天然巖體中的聲發(fā)射特性具有重要的理論價值。

聲發(fā)射事件產(chǎn)生的彈性波，其傳播規(guī)律受巖體結(jié)構(gòu)影響而產(chǎn)生反射、折射、繞射與散射等現(xiàn)象，孫旭曙［2］開展了節(jié)理巖體的超聲波傳播規(guī)律室內(nèi)試驗，研究表明其超聲波波速隨節(jié)理傾角增大呈線性遞減。眾多的研究表明巖體聲發(fā)射事件與其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系密切相關(guān)。曹吉勝［3］開展了預(yù)制節(jié)理巖體三軸壓縮及卸荷破壞聲發(fā)射試驗研究，研究表明節(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，聲發(fā)射振鈴計數(shù)率突增；李銀平［4］開展了預(yù)制裂隙大理巖塊試件在剪切作用下的聲發(fā)射特征研究，研究表明鋸齒型裂紋破壞之前聲發(fā)射活躍，破壞時達到峰值，此類破壞更具突然性和不可預(yù)測性；趙興東［5］開展了單軸壓縮載荷作用下預(yù)制裂紋花崗巖聲發(fā)射試驗，研究表明聲發(fā)射事件主要由巖樣裂紋擴展所產(chǎn)生，并隨應(yīng)力～應(yīng)變變化而表現(xiàn)出不同特征。巖體的聲發(fā)射事件主要產(chǎn)生在力學(xué)性能較弱的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，并且與其破壞模式相關(guān)。裴建良［6］開展了單軸壓縮條件下自然裂隙大理巖的聲發(fā)射測試，研究表明單一型和平行型自然裂隙巖樣在壓應(yīng)力水平較低時，聲發(fā)射事件隨壓應(yīng)力的漸增沿自然裂隙面產(chǎn)生，當(dāng)壓應(yīng)力接近峰值強度時，聲發(fā)射事件主要產(chǎn)生在裂隙面末端；趙小平［7］通過預(yù)加載制備了裂隙煤巖試件，并研究了單軸加載破壞過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象，并提出定量指標(biāo)b值描述聲發(fā)射事件最大振幅的分布規(guī)律，煤巖內(nèi)部所含裂隙越多，b值越大，破壞裂隙擴展所受的阻礙越大。

本文以不同傾角節(jié)理試件為研究對象，開展單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗，研究了單軸壓縮條件下單一節(jié)理巖體的聲發(fā)射特性。

2 試驗方案

2.1 節(jié)理試樣制備

本次試驗以砂巖為研究對象，單一節(jié)理試樣為圓柱體，直徑φ×高度H=50mm×100mm。節(jié)理試件由完整試件切割、經(jīng)石膏黏接而成，節(jié)理角度設(shè)計為0°，30°，45°，60°，90°，試件如圖1。

圖1 單一節(jié)理試件

2.2 聲發(fā)射試驗

聲發(fā)射試驗采用美國物理聲學(xué)公司（PAC）研制的高性能聲發(fā)射系統(tǒng)（PCI-2）。測試過程中，需在試件上、下兩端10mm處各布設(shè)2個傳感器，并設(shè)置上下兩組傳感器相互垂直，確保4個傳感器不在同一平面，傳感器安裝如圖2。

圖2 傳感器安裝

本次聲發(fā)射試驗需與單軸壓縮試驗同步進行，巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的數(shù)字控制式電液伺服試驗機 （RMT-150C），試件安裝如圖3。試驗中所采集的信號是試件受力變形、裂紋擴展及破壞所產(chǎn)生。

圖3 試件安裝

3 聲發(fā)射試驗結(jié)果分析

試驗中所采集的試件應(yīng)力應(yīng)變曲線、聲發(fā)射試驗累計撞擊數(shù)和累計能量參數(shù)變化曲線如圖4、圖5。

圖4 撞擊數(shù)變化曲線

圖5 能量變化曲線

結(jié)果表明，受節(jié)理影響不同傾角試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線有較大差異，這與其破壞模式有關(guān)。0°，30°，90°節(jié)理試件為貫穿節(jié)理的軸向張拉劈裂破壞，如圖6。應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)為脆性破壞特征，有明顯的應(yīng)力陡降階段，且峰值強度較大，約為40MPa；45°，60°節(jié)理試件為沿節(jié)理面的剪切破壞，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)為延性破壞特征，應(yīng)力緩慢降低，峰值強度較低，分別為4MPa和1.7MPa。

圖6 節(jié)理試件破壞模式

聲發(fā)射試驗累計撞擊數(shù)和累計能量與試件變形破壞過程一一對應(yīng)，其曲線斜率代表試件內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)的破壞數(shù)量，斜率大表示微小結(jié)構(gòu)的破壞數(shù)量多，反之，說明微小結(jié)構(gòu)的破壞數(shù)量少。隨著應(yīng)力不斷增加，0°，30°，90°節(jié)理試件的累計撞擊數(shù)和累計能量緩慢增加，達到峰值強度時，計撞擊數(shù)和累計能量驟增并達到極值；45°節(jié)理試件的累計撞擊數(shù)和累計能量隨應(yīng)力緩慢增加，當(dāng)該試件進入彈性變形階段，累計撞擊數(shù)和累計能量快速持續(xù)線性增加；在彈性變形中段前，60°節(jié)理試件的累計撞擊數(shù)和累計能量與應(yīng)力變化規(guī)律一致，之后緩慢增加。

根據(jù)節(jié)理試件變形破壞特點，可將其聲發(fā)射過程分為3個階段，即初始壓密及上升區(qū)、峰值區(qū)、平穩(wěn)區(qū)。

3.1 初始壓密及上升區(qū)

節(jié)理試件在軸向荷載作用下，試件內(nèi)部微裂紋、裂隙受壓縮閉合及擴展而變形，此階段產(chǎn)生少量聲發(fā)射事件并呈小幅上升趨勢；0°，30°，90°節(jié)理試件持續(xù)到峰值強度之前，而45°，60°節(jié)理試件持續(xù)到彈性變形階段。

3.2 峰值區(qū)

節(jié)理試件內(nèi)部裂紋貫通形成較大裂紋，聲發(fā)射事件急劇增加；0°，30°，90°節(jié)理試件的聲發(fā)射事件驟升至最大值，45°節(jié)理試件的聲發(fā)射事件持續(xù)增加，而60°節(jié)理試件的聲發(fā)射事件趨于穩(wěn)定。

3.3 平穩(wěn)區(qū)

試件破壞后，聲發(fā)射事件迅速消失，0°，30°，90°節(jié)理試件的聲發(fā)射事件累計曲線趨于平穩(wěn)。

4 結(jié)語

（1）受節(jié)理影響，不同傾角節(jié)理試件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有較大差異，這與其不同破壞模式有關(guān)。

（2） 巖石變形破壞過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與其聲發(fā)射特性一一對應(yīng)，聲發(fā)射過程中的撞擊數(shù)和能量代表試件內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)的破壞數(shù)量。

（3）節(jié)理試件的破壞模式不同，導(dǎo)致節(jié)理試件的聲發(fā)射特性具有明顯的差異。