花崗巖壓剪破裂擴(kuò)展及聲發(fā)射b值的法向力影響特征

劉祥鑫，吳立新，呂 欣，毛文飛，張艷博

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；>4.華北理工大學(xué)現(xiàn)代技術(shù)教育中心，河北 唐山 063210)

0 引 言

在研究脆性巖石的破壞機(jī)理及破裂演化方面，應(yīng)力邊界條件的影響很大[1-3]。捕捉巖石破裂過程中微裂隙的萌生、擴(kuò)展及最終失穩(wěn)破壞的特征，是維護(hù)地下工程中巖體安全性的重要問題之一[4-5]。通過分析巖石破裂過程中的聲發(fā)射特征，可反映巖石損傷的發(fā)展過程，這與巖石內(nèi)部缺陷的演化與繁衍直接相關(guān)[6]。分析聲發(fā)射與巖石破裂本身的關(guān)系，有助于獲得巖石失穩(wěn)破裂特征，為依靠聲發(fā)射技術(shù)建立識別巖石破裂前兆體系提供理論和技術(shù)依據(jù)[7]。

在對巖石剪切破壞的裂隙分布狀態(tài)的研究方面，眾多學(xué)者采用聲發(fā)射監(jiān)測手段進(jìn)行剪切機(jī)制的探討，而低水平的巖體剪切峰值與殘余剪切強(qiáng)度也與高水平的情況不大相同。在恒定正應(yīng)力狀態(tài)下開展“煤-巖”體的平面剪切實驗，發(fā)現(xiàn)煤巖界面的剪切行為受兩個材料的差異性影響，而不僅由煤巖界面的表面粗糙度控制[8]。巖石微裂隙的存在對其剪切強(qiáng)度具有重要影響，通過Ashby、Mohr-Coulomb等破壞準(zhǔn)則和裂紋-應(yīng)變關(guān)系，建立了微裂紋和宏觀剪切強(qiáng)度的相關(guān)性[9]。李元輝等[10]提出將分維數(shù)和震級-頻度系數(shù)b值相結(jié)合，可提高工程現(xiàn)場巖體穩(wěn)定性監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

由于大多數(shù)結(jié)構(gòu)工程都是在巖體中建立，巖體中廣泛存在著不同尺度的裂隙，而裂隙的狀態(tài)對巖石的應(yīng)力狀態(tài)影響較大[11]。以往的研究主要集中在巖石的剪切破壞特征方面，對于裂隙的存在狀態(tài)卻研究較少，剪切破壞預(yù)警信息的有效性也探討不夠。為此，迫切需要從空間尺度和時間尺度等方面對裂隙的存在狀態(tài)進(jìn)行研究和探討。

1 巖石剪切實驗

1.1 巖石試樣制備及邊界條件設(shè)置

花崗巖試樣(150 mm×150 mm×150 mm，圖1(a))采自山東省萊州市，萊州地區(qū)是中國重要的黃金生產(chǎn)基地，也是世界上罕見的黃金富集區(qū)域。根據(jù)《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—99)制備試樣，樣品標(biāo)記為“GS-R1”～“GS-R4”，其中“GS”代表花崗巖樣品。

本實驗中巖石樣品的邊界條件如圖1(b)所示。固定邊界是指巖石的這些端部不能產(chǎn)生變形，剪切力邊界是施加剪切力的一端，法向力邊界是正應(yīng)力的施加端。

圖1 巖石試樣及邊界條件Fig.1 Rock sample and its boundary conditions

1.2 實驗設(shè)備及其設(shè)置

實驗系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和CCD攝像機(jī)組成。為保證不同巖石試件實驗數(shù)據(jù)可對比性及一致性，實驗設(shè)備設(shè)置應(yīng)保持一致[12]。實驗系統(tǒng)的各個設(shè)備設(shè)置如下：①加載系統(tǒng)：法向力邊界分別設(shè)定為300 kN(GS-R1)、250 kN(GS-R2)、200 kN(GS-R3)、150 kN(GS-R4)，在剪切力邊界處施加0.2 mm/min的加載速率直至巖石發(fā)生剪切破裂；②AE系統(tǒng)：采樣時間設(shè)置為0.2 μs，存儲長度為2 k，記錄時間段設(shè)置為0.4 ms(0.2 μs×2 048)，預(yù)觸發(fā)設(shè)置為1 k，采樣率設(shè)置為1 MHz；③CCD：采樣速度設(shè)定為16 fps，分辨率設(shè)定為2 048×2 048。

1.3 實驗結(jié)果

1) 巖石剪切過程的階段性。為了表征巖石剪切破壞過程，剪切力、聲發(fā)射能量、聲發(fā)射累積能量與加載時間的關(guān)系如圖2所示，整個加載過程可劃分為三個階段。Ⅰ初始階段，聲發(fā)射活動主要是巖石內(nèi)部微裂隙的閉合所致。聲發(fā)射能量處于較低水平，而且隨著剪切力的提高，聲發(fā)射累積能量曲線也隨之提高。新裂紋萌生、擴(kuò)展及相互貫通將提高聲發(fā)射的活動性。Ⅱ裂隙穩(wěn)定擴(kuò)張階段，聲發(fā)射活動性要高于Ⅰ初始階段，此時巖石處于裂隙的穩(wěn)定擴(kuò)展階段，聲發(fā)射活動由裂隙的穩(wěn)定擴(kuò)展引起。巖石試樣的剪切力曲線也呈線性增加，巖石試樣彎曲剪切能力不受影響。Ⅲ裂隙不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，聲發(fā)射活動性要高于前面兩個階段；聲發(fā)射能量曲線波動性較大，累積能量曲線呈直線上升。此時，弱化的巖石不能蘊(yùn)含如此大量的剪切應(yīng)變能，這時期所有的破壞都由剪切方式引起。

2) 巖石剪切破壞分析。不同的法向力，雁列傾角α也有一定的區(qū)域。其中法向力、剪切力與雁列傾角對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。GS-R1的α(Fnormal force=300 kN)為31.57°，GS-R2的α(Fnormal force=250 kN)為27.48°，GS-R3的α(Fnormal force=200 kN)為19.63°，GS-R1的α(Fnormal force=150 kN)為8.78°。α與法向力呈正相關(guān)性，即法向力增加，雁列傾角越大。除此之外，法向力與剪切面的角度α之間還存在正相關(guān)性。整個角度小于45°，裂隙是由剪切力產(chǎn)生的。

圖2 剪切力、聲發(fā)射能量、聲發(fā)射累積能量與加載時間的關(guān)系曲線圖Fig.2 Curves of shearing force and AE parameters versus time

圖3 法向力與剪切力、雁列傾角統(tǒng)計關(guān)系圖Fig.3 The statistical relationship diagram of normal force and shearing force,and the angle of echelon

由圖3可知，隨著法向力的增加，剪切力峰值也隨之提高，雁列傾角也呈正相關(guān)。在面內(nèi)剪切條件陣列下包括一個雁列的裂隙與σ1平行，即剪切力保證了巖石的破壞，而法向力則保持了裂隙的方向性，裂紋傾角α受法向力σ1的影響。

2 巖石剪切破壞中b值前兆信息

聲發(fā)射參數(shù)包括了變化率參數(shù)和累積參數(shù)，其中累積參數(shù)反映了聲發(fā)射事件過程中特征參數(shù)的累積值，描述了單次聲發(fā)射強(qiáng)度和總體聲發(fā)射強(qiáng)度的關(guān)系。眾多室內(nèi)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測表明，巖石破裂所引起的聲發(fā)射特征滿足Gutenberg-Richter關(guān)系式。通過分析Gutenberg-Richter關(guān)系式，可表征不同尺度破壞過程中的聲發(fā)射活動[13]，其表達(dá)式見式(1)。

lgn(M)=a-bM

(1)

式中，a和b為與監(jiān)測區(qū)域相關(guān)的未知常數(shù)，其中，常數(shù)a反映了該區(qū)域中聲發(fā)射活動的總體水平；常數(shù)b描述了聲發(fā)射事件的幅度分布。

圖4為剪切試驗過程中巖石試件的能量演化過程，在第Ⅰ階段，巖石試件均表現(xiàn)為隨機(jī)波動，意味著破裂為隨機(jī)產(chǎn)生。在第Ⅱ階段，巖石試件則表現(xiàn)出一定的差異性。在剪切力的峰值后，整體又回到了上下波動的狀態(tài)。這兩種情況下，在第Ⅲ階段均出現(xiàn)了較高的能量釋放情況，這可能說明在剪切面上出現(xiàn)較大規(guī)模的裂隙，產(chǎn)生了更多的能量釋放。Ⅲ階段是裂隙不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，巖石試件的破裂程度大于前兩個階段，b值表現(xiàn)出持續(xù)下降的現(xiàn)象。

圖4 巖石破裂聲發(fā)射參數(shù)隨時間變化曲線Fig.4 The curves of AE parameters of rock fracturing via time

預(yù)警時間的選擇也同樣重要。在圖4中的“L1”線，在L1之后b值保持持續(xù)降低的規(guī)律，且降低的方式與法向力存在相關(guān)性。如GS-R1有序且持續(xù)下降，GS-R2和GS-R4在峰值剪切應(yīng)力前急劇下降，GS-R3表現(xiàn)為近似線性緩慢變化。巖石最終失穩(wěn)破壞之前，b值略微下降且保持異常的較低水平，這是因為一些較高能量聲發(fā)射事件的出現(xiàn)提高了平均能量水平。因此，連續(xù)且異常的低b值可以被認(rèn)為是巖石剪切破壞的有效前兆。

3 結(jié) 論

1) 隨著法向力的增加，剪切力峰值也隨之提高，雁列傾角也呈正相關(guān)；雁列裂紋與剪切面的夾角α小于45°，裂紋傾角α受法向力σ1的影響；主裂紋擴(kuò)展主要是剪切破裂所致，而法向力則保持了裂隙的方向性。

2) 四種法向力下巖石剪切破壞過程中的裂紋擴(kuò)展均由剪切力所致，其中雁列狀裂紋由主剪切力產(chǎn)生，羽列裂紋由次生剪切力所致。

3) 在巖石剪切破壞之前，b值持續(xù)下降和異常低值的規(guī)律可作為巖石剪切破壞前兆特征。