鄭曉娟,王云飛
(1.焦作師范高等專(zhuān)科學(xué)校,焦作 454000;2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,焦作 454000)
巖石是隧道、地下工程建設(shè)直接涉及的對(duì)象,關(guān)于對(duì)各種巖石受力后的變形、強(qiáng)度和損傷破壞特征研究,一直是巖石力學(xué)的重點(diǎn)課題,對(duì)地下工程施工與安全也具有重要意義。巖石力學(xué)研究者做了各種巖石力學(xué)特性研究,取得了很多有益成果,如三種砂巖強(qiáng)度特征[1],有效應(yīng)力影響下黃砂巖的強(qiáng)度變形特征[2],圍巖對(duì)黃砂巖損傷破壞特征的影響[3],應(yīng)變場(chǎng)演化與三維破壞過(guò)程[4],溫度對(duì)黃砂巖變形行為影響[5],應(yīng)力應(yīng)變特性[6],周期荷載下疲勞強(qiáng)度[7],聲發(fā)射法確定大理巖特征強(qiáng)度[8],卸荷路徑與速率對(duì)大理巖破裂演化特征的影響[9],加載速率對(duì)裂隙紅砂巖試樣力學(xué)行為影響[10],平行節(jié)理壓剪破壞聲發(fā)射特征[11],大理巖張、剪破壞的主頻特征[12],花崗巖巖爆聲發(fā)射演化特征[13],不同高度花崗巖巖爆頻譜特征[14],不同溫度花崗巖巖爆彈射動(dòng)能規(guī)律[15],巖鹽聲發(fā)射分形維數(shù)[16],巖鹽聲發(fā)射與能量特征[17],脆性指標(biāo)與彈性應(yīng)變能關(guān)系[18]等。
隨著地下工程建設(shè)的發(fā)展,涉及的巖石種類(lèi)越來(lái)越廣,工程環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜,故需不斷完善各種巖石的力學(xué)特性和損傷演化規(guī)律方面的研究。另外,峰值頻率變化規(guī)律方面對(duì)損傷演化機(jī)制方面的研究文獻(xiàn)還較少,因而本文系統(tǒng)開(kāi)展關(guān)于黃砂巖力學(xué)行為和損傷特征方面的研究,對(duì)進(jìn)一步明確黃砂巖力學(xué)性質(zhì)和尋求破壞聲發(fā)射峰值頻率前兆信息特征具有重要意義。
黃砂巖密度為2 347.67 kg/m3,波速為2.718 9 km/s,將采集的黃砂巖試樣加工成直徑為50 mm的圓柱試樣和劈裂試樣,圓柱試樣標(biāo)準(zhǔn)高度100 mm,劈裂試樣標(biāo)準(zhǔn)高度28 mm,加工精度滿足《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求,并對(duì)試樣進(jìn)行篩選,剔除有明顯缺陷試樣。
采用武漢巖土所研制的RMT巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行黃砂巖的巴西劈裂、單軸和等圍壓三軸試驗(yàn),巴西劈裂試驗(yàn)取5個(gè)試樣,單軸試驗(yàn)取3個(gè)試樣,三軸分別進(jìn)行5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa和40 MPa不同圍壓試驗(yàn)。試驗(yàn)采用位移控制加載方式,加載速率都為0.002 mm/s,其中三軸試驗(yàn)首先等向以靜水壓力加載至預(yù)訂圍壓,然后軸向加載直至試樣破壞結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)加載系統(tǒng)、黃砂巖壓縮試樣和破裂巴西劈裂試樣如圖1所示。
圖1 RMT試驗(yàn)系統(tǒng)與黃砂巖試樣Fig.1 RMT test system and yellow sandstone specimen
圖2是將黃砂巖5個(gè)巴西劈裂試驗(yàn)的荷載與垂直變形量數(shù)據(jù)。由圖2可知,黃砂巖巴西劈裂荷載與垂直變形量關(guān)系曲線離散性較大,出于保守取值,剔除D11黃砂巖巴西劈裂數(shù)據(jù),選用D12、D13、D14和D15四組數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù),表1中平均值計(jì)算都是采用上述四組數(shù)據(jù)。黃砂巖的巴西劈裂荷載垂直變形曲線經(jīng)歷斜率漸增和斜率恒定兩個(gè)階段,兩階段的分界點(diǎn)都處在對(duì)應(yīng)曲線峰值變形一半的位置。斜率漸增階段說(shuō)明了黃砂巖劈裂初期鋼壓條與巖樣的局部塑性變形和劈裂巖樣的壓密特性,斜率恒定階段表明黃砂巖劈裂后期的良好彈性變形特性。
圖2 黃砂巖劈裂荷載垂直變形曲線Fig.2 Load-vertical deformation curves of yellow sandstone under Brazilian split test
基于彈性力學(xué)原理獲得計(jì)算劈裂試樣中心點(diǎn)最大拉應(yīng)力公式為:
(1)
式中:P為劈裂破壞最大荷載,kN;D為劈裂試樣直徑,m;L為黃砂巖劈裂試樣厚度,m。將圖2不同劈裂試樣最大荷載帶入公式(1)獲得黃砂巖的巴西劈裂強(qiáng)度,同時(shí)將對(duì)應(yīng)變形值一并列于表1。
表1 黃砂巖巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Tensile strengths of yellow sandstone under Brazilian split test
剔除數(shù)據(jù)離散性較大的黃砂巖D11試樣數(shù)據(jù)(由圖2可見(jiàn)D11強(qiáng)度明顯大于其他試樣強(qiáng)度),獲得黃砂巖平均最大劈裂荷載為5.115 kN,計(jì)算獲得的劈裂強(qiáng)度為2.423 MPa,相應(yīng)的平均峰值垂直變形為0.445 mm,平均峰值橫向變形為0.075 mm。
圖3為黃砂巖三個(gè)單軸試樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可見(jiàn)黃砂巖單軸的壓密和彈性階段明顯,而屈服階段較短,壓密階段的軸向應(yīng)變約在0~0.004,屈服階段的軸向應(yīng)變約在0.006 5~0.007 8。圖4是黃砂巖不同圍壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線,由圖4可知,在20 MPa圍壓下會(huì)出現(xiàn)壓密階段,5 MPa圍壓壓密階段明顯,大于20 MPa圍壓應(yīng)力應(yīng)變曲線不出現(xiàn)壓密階段;隨著圍壓的增大黃砂巖的彈性階段明顯增長(zhǎng),特別是30 MPa和40 MPa圍壓下的彈性階段很顯著,峰后破壞黃砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎直線下降,表明黃砂巖屬于典型脆性巖石。
圖3 黃砂巖單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Yellow sandstone stress-strain curves under uniaxial test
圖4 黃砂巖不同圍壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Yellow sandstone stress-strain curves under different confining pressures
從微觀角度分析,壓密階段表明黃砂巖在外部荷載作用下內(nèi)部微孔隙微裂隙的壓密過(guò)程,可知對(duì)于黃砂巖內(nèi)部微孔隙微裂隙的壓密靜水壓力為20~30 MPa之間;隨著圍壓增大屈服階段增長(zhǎng),表明黃砂巖產(chǎn)生較大塑性變形,對(duì)應(yīng)內(nèi)部損傷較大程度的發(fā)展,同時(shí)說(shuō)明高圍壓下達(dá)到破壞峰值時(shí)黃砂巖內(nèi)部損傷發(fā)展嚴(yán)重。原因在于圍壓越高側(cè)向約束越大,越不利于微裂隙沿兩端裂尖發(fā)展,進(jìn)一步的塑性變形體現(xiàn)為黃砂巖內(nèi)部粘結(jié)薄弱部位的新生裂隙出現(xiàn)。結(jié)合微觀分析對(duì)比圖3和圖4可知,達(dá)到峰值破壞時(shí)黃砂巖單軸壓縮內(nèi)部損傷發(fā)展程度低,而高圍壓下的內(nèi)部損傷發(fā)展程度高。另一方面也說(shuō)明單軸和低圍壓下黃砂巖從內(nèi)部損傷開(kāi)始發(fā)展到峰值破壞經(jīng)歷軸向變形小、微裂隙延伸較快,較高圍壓下從內(nèi)部損傷開(kāi)始發(fā)展至峰值破壞經(jīng)歷軸向變形大、微裂隙延伸相對(duì)緩慢。
圖5是黃砂巖彈性/變形模量、峰值應(yīng)變與圍壓關(guān)系,其中彈性模量為應(yīng)力應(yīng)變曲線近似直線段斜率,即30%~70%峰值強(qiáng)度段;變形模量為應(yīng)力應(yīng)變曲線原點(diǎn)與峰值強(qiáng)度50%對(duì)應(yīng)點(diǎn)平均斜率。黃砂巖彈性模量與變形模量隨圍壓的增大呈現(xiàn)非線性增大趨勢(shì),兩者的變化規(guī)律基本一致,相同圍壓下變形模量值明顯低于彈性模量值,但隨著圍壓的增大兩者差別減小。黃砂巖40 MPa彈性模量是單軸彈性模量均值的2.29倍,40 MPa變形模量是單軸變形模量均值的3.22倍,可見(jiàn)變形模量隨圍壓的提高效應(yīng)較彈性模量提高效應(yīng)顯著。黃砂巖破壞時(shí)的峰值應(yīng)變隨著圍壓增大具有一定波動(dòng)性,但整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),20 MPa圍壓后的增速較小,40 MPa圍壓峰值應(yīng)變是單軸峰值應(yīng)變均值的1.90倍。
圖5 黃砂巖彈性/變形模量、峰值應(yīng)變與圍壓關(guān)系Fig.5 Relationship between elastic/deformation modulus, peak strain and confining pressure of yellow sandstone
將黃砂巖巴西劈裂抗拉強(qiáng)度、單軸和三軸試驗(yàn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)繪于圖6,其中黃砂巖劈裂抗拉強(qiáng)度取值見(jiàn)表1,單軸抗壓強(qiáng)度取三個(gè)試樣的平均值。并利用線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則、Hoek與Brown在1992年提出的非線性Hoek-Brown準(zhǔn)則與You在2009年提出的指數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行黃砂巖強(qiáng)度變化規(guī)律分析,Mohr-Coulomb準(zhǔn)則表達(dá)形式如式(2),Hoek-Brown準(zhǔn)則表達(dá)形式如式(3),指數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則表達(dá)形式如式(4)。
σ1=kσ3+m
(2)
σ1=σ3+σc(miσ3/σc+s)a
(3)
(4)
式中:σ1和σ3為黃砂巖最大、最小主應(yīng)力,MPa;k為黃砂巖圍壓影響系數(shù);m為黃砂巖單軸擬合抗壓強(qiáng)度,MPa;σc與Q0為黃砂巖實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度,本文取單軸抗壓強(qiáng)度均值75.10 MPa;mi為經(jīng)驗(yàn)參數(shù);s取1;a為反應(yīng)完整程度系數(shù),完整巖石建議取0.5,但文中考慮巖石內(nèi)部缺陷仍采用擬合獲?。籕∞為主應(yīng)力差極值,MPa;K0為黃砂巖圍壓影響系數(shù)。
利用線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和非線性Hoek-Brown準(zhǔn)則與指數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)黃砂巖單軸抗壓強(qiáng)度和不同圍壓抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合,獲得Mohr-Coulomb表達(dá)形式如公式(5),Hoek-Brown表達(dá)形式如公式(6),指數(shù)強(qiáng)度表達(dá)形式如公式(7)。并將其繪于圖6。
σ1=6.83×σ3+94.89
(5)
σ1=σ3+75.10(22.49σ3/75.10+1)0.561 3
(6)
σ1=σ3+462.57-387.47exp(-0.024 3σ3)
(7)
利用巖石力學(xué)中計(jì)算內(nèi)摩擦角和粘聚力公式,計(jì)算獲得黃砂巖的粘聚力為18.15 MPa,內(nèi)摩擦角為48.13°。圖6中選取單軸和三軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合,并分析不同準(zhǔn)則對(duì)黃砂巖抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)值誤差,線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對(duì)抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值為13.89 MPa,非線性Hoek-Brown準(zhǔn)則對(duì)抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值為3.33 MPa,指數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值為6.68 MPa,黃砂巖試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度值為2.423 MPa,可見(jiàn)Hoek-Brown準(zhǔn)則對(duì)抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值最接近,絕對(duì)誤差僅為0.91 MPa,線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對(duì)抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)值的誤差最大,絕對(duì)誤差高達(dá)11.467 MPa,因而不可用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則預(yù)測(cè)巖石抗拉強(qiáng)度。單軸抗壓強(qiáng)度Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算值為94.89 MPa,比試驗(yàn)單軸抗壓強(qiáng)度提高了26.35%,其他兩個(gè)非線性準(zhǔn)則包含抗壓強(qiáng)度值,可以精確表達(dá)。不同圍壓下黃砂巖強(qiáng)度Mohr-Coulomb、Hoek-Brown和指數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則的總體擬合均方根誤差分別為11.231 MPa、7.005 9 MPa和9.594 2 MPa。總體分析可知,Hoek-Brown準(zhǔn)則在表達(dá)黃砂巖強(qiáng)度變化規(guī)律和抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)方面精度最高,指數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則僅次于Hoek-Brown準(zhǔn)則,線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則精度最差,高圍壓時(shí)按照線性規(guī)律預(yù)測(cè)結(jié)果偏離試驗(yàn)值較大。非線性的Hoek-Brown和指數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則變化規(guī)律顯示隨著圍壓增大,強(qiáng)度增加率逐漸減小,更符合黃砂巖強(qiáng)度實(shí)際變化規(guī)律。
圖6 黃砂巖不同圍壓強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.6 Variation of confining pressures of yellow sandstone
為了量化圍壓增大對(duì)強(qiáng)度的提高效應(yīng),采用圍壓影響系數(shù)(圍壓影響系數(shù)=(σ1-σc)/σ3)來(lái)描述,將其計(jì)算結(jié)果繪于圖7。由圖7可知,隨著圍壓的增大圍壓影響系數(shù)首先快速減小,而后逐漸趨于定值,表明低圍壓下圍壓對(duì)黃砂巖強(qiáng)度提高顯著,隨著圍壓升高提高效應(yīng)逐漸減小,圍壓達(dá)到一定時(shí),強(qiáng)度提高變?yōu)槎ㄖ怠?0 MPa圍壓是黃砂巖強(qiáng)度提高快慢的明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
圖7 黃砂巖圍壓影響系數(shù)變化規(guī)律Fig.7 Variation of confining pressure effect coefficient of yellow sandstone with confining pressure
為了分析黃砂巖在巴西劈裂、單軸壓縮和三軸壓縮過(guò)程中損傷發(fā)展特性,在巖樣壓縮的同時(shí)采用DS系列聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了聲發(fā)射數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。圖8為試驗(yàn)過(guò)程聲發(fā)射監(jiān)測(cè)圖。監(jiān)測(cè)探頭如圖8所示位于試樣底部位置。
圖8 黃砂巖聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.8 Acoustic emission monitoring system about yellow sandstone damage
黃砂巖在受力過(guò)程中,發(fā)生變形破壞,有早期微裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展,也有后期大尺度裂隙的擴(kuò)展貫通,這些損傷發(fā)展都會(huì)以彈性波的形式釋放能量,通過(guò)聲發(fā)射儀采集信號(hào)進(jìn)行分析。本文將黃砂巖劈裂、單軸和三軸加載破壞過(guò)程中聲發(fā)射峰值頻率變化規(guī)律繪于圖9。
由圖9(a)可知,劈裂試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)較少,峰值頻率帶呈單頻帶分布,峰值頻率帶范圍為234~281 kHz,在接近峰值破壞時(shí)峰值頻率陡降出現(xiàn)低頻峰值頻率,低頻峰值頻率處在0~46 kHz。圖9(b)為黃砂巖單軸峰值頻率特征,可見(jiàn)單軸壓縮出現(xiàn)2個(gè)峰值頻率帶,分別為高頻帶222~281 kHz,低頻帶0~50 kHz,在屈服階段后期接近破壞時(shí)由2個(gè)峰值頻率帶變?yōu)?個(gè)峰值頻率帶,分別為極高頻340~365 kHz,中頻帶140~158 kHz。不同圍壓下黃砂巖壓縮破壞也出現(xiàn)2個(gè)峰值頻率帶,對(duì)應(yīng)10 MPa圍壓時(shí)高頻帶為51~69 kHz,低頻帶為0~16 kHz,對(duì)應(yīng)40 MPa圍壓時(shí)高頻帶為48~70 kHz,低頻帶為0~16 kHz,在屈服階段中后期峰值頻率在0~90 kHz頻率范圍隨機(jī)分布,沒(méi)有明顯的峰值頻率帶。
圖9 不同試驗(yàn)條件下黃砂巖峰值頻率特征Fig.9 Peak frequency characteristics of yellow sandstone under different test condition
綜合分析峰值頻率變化規(guī)律可知,劈裂破壞過(guò)程出現(xiàn)單頻率帶,在接近破壞時(shí)峰值頻率出現(xiàn)明顯降低現(xiàn)象。單軸壓縮破壞過(guò)程峰值頻率帶經(jīng)歷2至4的變化過(guò)程,屈服階段后期峰值頻率帶變?yōu)?個(gè),單軸壓縮高頻帶頻率與劈裂破壞頻率帶頻率相當(dāng)。黃砂巖三軸壓縮破壞過(guò)程出現(xiàn)2個(gè)峰值頻率帶,在屈服階段后期峰值頻率分布范圍變廣已不存在明顯頻率帶。三軸壓縮不同圍壓下前期的2個(gè)峰值頻率帶不受?chē)鷫河绊?,都在同一頻率范圍內(nèi),明顯低于單軸時(shí)頻率帶頻率。根據(jù)峰值頻率變化規(guī)律可見(jiàn),黃砂巖在接近峰值破壞前峰值頻率帶分布范圍明顯變寬,可作為黃砂巖破壞的先兆信息。
圖10為黃砂巖單軸壓縮和三軸壓縮下宏觀破裂特征。對(duì)比單軸和三軸壓縮破壞特征可見(jiàn)單軸壓縮破壞嚴(yán)重,除了主控破裂面之外,還伴生有許多次生宏觀裂隙,主次破裂面交叉破壞巖樣使得巖樣破碎程度嚴(yán)重,次生破裂面延伸擴(kuò)展角度接近直立,交于主控破裂面使得黃砂巖單軸破壞出現(xiàn)拋射塊體。不同圍壓下黃砂巖三軸破壞宏觀破裂面單一,低圍壓下破裂面接近直立,傾角大,發(fā)生典型拉剪復(fù)合破壞,隨著圍壓增加宏觀破裂面傾角逐漸減小,由拉剪復(fù)合破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?。可?jiàn)圍壓明顯減小了破壞裂紋數(shù),抑制次生裂紋的產(chǎn)生。
圖10 黃砂巖單軸和三軸試驗(yàn)破壞特征Fig.10 Yellow sandstone failure samples under uniaxial and triaxial compression
從內(nèi)部微裂隙發(fā)展到宏觀裂隙傾角變化分析可知,單軸和低圍壓時(shí),側(cè)向沒(méi)有約束或存在較小約束情況下,微裂隙沿裂尖擴(kuò)展角度較大,眾多微裂隙沿較大角度擴(kuò)展貫通形成了接近直立的宏觀破裂面。較高約束圍壓下,微裂隙壓密閉合,微裂隙沿著一定角度以剪切形式擴(kuò)展,在主控破裂面上沿剪切方向發(fā)展的微裂隙相互貫通形成具有相對(duì)較小傾角的主控破裂面。
(1)隨著圍壓增大,黃砂巖彈性階段增加最顯著,峰后破壞幾乎直線下降,表明黃砂巖屬于典型脆性巖體。
(2)黃砂巖彈性模量和變形模量隨著圍壓增大呈非線性增大趨勢(shì),兩者變化規(guī)律基本一致,變形模量隨圍壓的提高效應(yīng)較彈性模量顯著。
(3)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得黃砂巖三種強(qiáng)度表達(dá)形式,其中非線性Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則能較好的表達(dá)黃砂巖的強(qiáng)度變化規(guī)律,且對(duì)抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值也較接近,指數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則次子,線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則精度最差。
(4)隨著圍壓增大,黃砂巖強(qiáng)度提高呈負(fù)指數(shù)減小規(guī)律,20 MPa圍壓之前,圍壓對(duì)黃砂巖強(qiáng)度的提高效應(yīng)顯著,然后逐漸減小并趨于定值。
(5)黃砂巖劈裂破壞過(guò)程為單一峰值頻率帶,在峰值破壞前峰值頻率降低;單軸壓縮破壞過(guò)程出現(xiàn)2個(gè)主峰值頻率帶,在屈服后期變?yōu)?個(gè)主峰值頻率帶,劈裂和單軸壓縮高頻帶范圍接近。
(6)黃砂巖三軸壓縮破壞出現(xiàn)2個(gè)峰值頻率帶,屈服階段后期峰值頻率分布范圍變寬,不存在明顯頻率帶;不同圍壓下的2個(gè)峰值頻率帶都在同一頻率范圍,幾乎不受?chē)鷫河绊?,且明顯低于單軸時(shí)的頻率。接近峰值破壞前峰值頻率帶分布范圍明顯變寬的特征,可作為黃砂巖破壞的先兆信息。
(7)黃砂巖單軸壓縮發(fā)生典型張剪復(fù)合破壞,主控破裂面附近伴隨許多次生破裂面;三軸發(fā)生剪切破壞形式,破裂面單一,隨著圍壓增大破裂角減小。圍壓作用抑制次生裂紋的產(chǎn)生,使破裂面更加規(guī)整。