白云巖的單軸壓縮力學特性及聲發(fā)射特性研究

劉漢香，別鵬飛，鄧葉林，李 欣，張 群

(1.成都理工大學，成都 610059；2.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059；3.四川省國土空間生態(tài)修復與地質災害防治院，成都 610059)

白云巖是一種以白云石礦物為主要成分的碳酸鹽巖，?；烊胧ⅰ㈤L石、方解石和黏土礦物等。白云巖在我國分布較為廣泛，在巖土工程建設中屬于比較常見的工程地質體，由于碳酸鹽巖遇水后容易被侵蝕，從而在巖體內(nèi)部產(chǎn)生溶蝕孔洞和裂隙，再加上地質歷史時期的構造作用，大部分白云巖結構不均勻，存在的微裂隙長度、走向、數(shù)量不盡相同且分布隨機，致使其應力狀態(tài)變得更為復雜，對白云巖的力學特性及破壞特性產(chǎn)生了顯著的影響。目前專門針對白云巖力學特性開展的研究并不多。吳勇通過理論研究、室內(nèi)試驗及本構模擬等方法，對白云巖在不同含水率下的力學特性進行了較為系統(tǒng)的研究[1]。李向星通過對含原生微裂隙白云巖進行室內(nèi)單軸壓縮試驗，探討了原生裂隙對巖石強度和變形特性的影響規(guī)律[2]。周宗紅等為了研究白云巖的力學特性和破壞模式，利用改進的三維SHPB 動靜組合加載試驗裝置，對白云巖進行了三維加載、軸向沖擊試驗，分析了軸壓、圍壓和應變率對白云巖強度、變形模量、能量吸收等的影響，探討了巖石動靜組合加載的應變率效應[3]。陳俊也以白云巖作為研究對象，探討了含天然微裂隙巖石的裂隙擴展規(guī)律、破壞過程及強度特征[4]。由此可見，有關白云巖方面的研究，主要集中于白云巖的裂隙性和水理特性對白云巖力學特性的影響，很少涉及白云巖在荷載作用下的損傷破裂過程。

巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象是指巖石受到外界荷載的作用時，內(nèi)部新舊裂紋萌發(fā)、擴展、貫通等，從而使巖石發(fā)生彈性、塑性變形，當外界壓力超過巖石能承受的極限時，巖石內(nèi)部存儲的能量便以彈性波的形式釋放出來的現(xiàn)象。聲發(fā)射的各參數(shù)之中蘊含著大量的巖石損傷破裂信息，因此，深度挖掘聲發(fā)射的各特征參數(shù)，對于研究巖石損傷演化特征、理解巖石破裂機制、預測預報巖體失穩(wěn)等方面具有重大意義。而研究單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射的數(shù)量、大小、頻率等參數(shù)，可以進一步了解巖石變形破壞的過程。目前，聲發(fā)射測試已被廣泛應用于巖石和巖體工程中，尤其是利用聲發(fā)射信號反演巖石在不同變形階段的損傷破裂過程和獲取巖石的破壞前兆信息方面的應用，凸顯了重要的理論價值和工程實踐意義[5-15]。

2008年汶川地震在青川縣東河口村誘發(fā)了一個巨型巖質滑坡，該滑坡具有高位拋射、高速、遠程和碎屑流運動特征，致使4個村莊和1所小學被埋，約780人死亡，造成的經(jīng)濟損失高達5 000多萬元[16]。該滑坡的形成機理和運動機理非常復雜，而組成滑坡體和滑床的地層巖性及結構是誘發(fā)本次滑坡的一個關鍵因素。東河口滑坡所在地層為典型的層狀復合巖體結構，根據(jù)已有的研究成果，滑坡區(qū)主要發(fā)育有白云巖、千枚巖、砂巖、灰?guī)r和碳質板巖，且滑動面位于薄弱的碳質板巖巖層中。不少學者基于工程地質理論分析方法和數(shù)值模擬方法對東河口滑坡的地震誘發(fā)機制開展了研究[17-19]，但大多數(shù)都是將邊坡地層結構進行了簡化，其中的原因之一，就是對滑坡區(qū)發(fā)育的巖體特性缺乏足夠的了解，而巖體特性恰恰是控制滑坡形成的關鍵因素。在這一背景下，筆者在對該滑坡進行了詳細野外踏勘的基礎上，采集了各類巖體的試驗樣本，在室內(nèi)開展了各項物理和力學特性試驗，主要目的是為了完善和補充東河口滑坡區(qū)發(fā)育巖體的物理力學特性，為深入研究該滑坡的發(fā)生機制提供基礎參數(shù)。由于篇幅限制，本文僅選取白云巖為研究對象，詳細闡述白云巖在單軸壓縮條件下的靜力學特性和聲發(fā)射試驗結果。白云巖的動力學特性以及其它幾種巖性的力學特性將另外撰文論述。

1 試驗過程概述

1.1 試件準備

巖樣均取自四川省廣元市青川縣東河口滑坡區(qū)。按照《工程巖體試驗方法標準》(GBT 50266-2013)將巖樣加工成標準圓柱體試樣(Ф50 mm×100 mm)，并對其兩端及側面進行了仔細研磨，不平行度和不垂直度均小于0.02 mm。為了盡量保持各試樣特性的一致性，同一組試樣都是從同一巖塊中鉆取而得，如圖1所示。經(jīng)過DX-2700X射線衍射儀分析，白云巖成分主要為白云石(82%)、黏土質(15%)、云母(<1%)和磁鐵礦(1%～2%)。5個試樣表面均發(fā)育有一些細小孔洞，孔徑小于1.0 mm，同時還可見多條不等寬的微裂隙和細脈，脈內(nèi)主要充填石英：D01試樣側面有少量細小孔洞，發(fā)育較多條巖脈；D02試樣頂部和中部有小塊破損，發(fā)育一條斜向裂隙，巖脈數(shù)量較少；D03試樣斜向發(fā)育一條較寬巖脈，將頂部和中部貫通，同時內(nèi)部發(fā)育多條細小、不連續(xù)巖脈；D04試樣巖脈交錯不連續(xù)，在豎向發(fā)育的一條較寬巖脈中分布有數(shù)個孔洞；D05試樣巖脈數(shù)量較少，側面有2處較短裂隙。由此可見，盡管5個試樣均取自同一巖塊，但它們在初始狀態(tài)上的不同必然導致力學特性上的差異性。經(jīng)密度測試后得白云巖的平均密度為2 648.3 kg/m3。

圖1 白云巖試樣Fig.1 Test specimens of dolomite

1.2 測試設備

試驗在成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室內(nèi)完成。試驗中所需設備主要有單軸加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。加載系統(tǒng)采用MTS815 電液壓伺服材料試驗系統(tǒng)，該設備可用于進行巖石和混凝土等材料的單軸壓縮、三軸壓縮、卸荷試驗、高溫試驗以及疲勞試驗等。該試驗機最大可提供4 600 kN的軸壓；最大圍壓可達140 MPa；最高溫度可達 200 ℃，可同時記錄荷載、應力、位移和應變值等。聲發(fā)射試驗采用北京聲華興業(yè)科技有限公司SAEU2S 測試系統(tǒng)，傳感器型號采用Soundwel SR150N 型，其工作頻率為22 kHz～220 kHz。為使檢波器(探頭)與試件接觸良好，采用凡士林作為檢波器與巖石的耦合劑，并用橡膠圈將傳感器固定于試件中央。

1.3 測試方案

試驗加載方式采用單軸加載，在開始階段采用應力控制，加載速率為5 kN/min，加載至15 kN后改用位移控制，加載速率為 0.1 mm/min，直接加載至試樣破壞。試驗過程中采集運行時間、荷載、軸向位移和軸向應力共4個參數(shù)。在單軸壓縮全過程試驗的同時進行實時聲發(fā)射監(jiān)測，提取并記錄聲發(fā)射波形到達時間、幅度、振鈴計數(shù)、能量、上升時間、RMS、ASL 等基本參數(shù)。在采集聲發(fā)射參數(shù)時，根據(jù)試驗環(huán)境將聲發(fā)射采集門檻值設為40 dB。在加載過程中，隨時關注并記錄試樣的變形情況，包括裂紋的生成和擴展過程，以期為試樣的損傷演化過程分析提供一定的參考。

2 試驗結果分析

2.1 單軸壓縮條件下的力學特性分析

由于巖樣D01和D03在試驗中出現(xiàn)故障，未完成整個加載過程，故不能用于本次分析。因此，本研究僅分析巖樣D02、D04和D05的試驗結果。圖2為3個巖樣的軸向應力-應變關系曲線圖。對比分析這3條曲線，有以下相似特征：1)裂紋壓密階段：應力水平約為峰值強度的25%，該階段的應力-應變曲線呈上凹型，巖體中原有結構面、裂隙在壓應力作用下逐漸閉合，填充物不斷被壓縮，巖體的剛度持續(xù)加大；2)線性變形階段：該階段應力隨應變成近似線性變化，巖體內(nèi)部不產(chǎn)生不可逆破裂，能量在此階段積聚，過程長短主要由巖石堅硬強度決定；3)裂紋穩(wěn)定擴展的非線性變形階段：該階段巖樣的應變不變，但是應力突然略微降低，然后又近線性上升，巖體內(nèi)部開始出現(xiàn)微破裂，形成新的裂紋，巖體結構逐漸遭到破壞，如巖樣D04和D05；4)裂紋加速擴展直至巖石破裂階段：該階段應力逐步達到峰值強度，然后陡然下降，裂紋在試件某些部位密集、搭接、相連，形成宏觀裂縫，裂縫不斷擴展變大并逐漸連通，形成有強烈應變集中的裂縫帶，并不斷向試件端部伸長，巖體的抗壓能力不斷減弱，直至塊體開始剝落，巖體破壞，破裂過程中的應力集中現(xiàn)象顯著；5)破裂后殘余強度階段，該階段應力下降到一定值之后就穩(wěn)定不變，雖然有塊體逐漸脫落，但是巖體破壞后并沒有完全失去承載能力，還存在殘余抗壓強度，如巖樣D02和D05。從曲線中讀取3個巖樣的峰值抗壓強度并計算彈性模量，得到D02的σc和E分別為19.9 MPa和5.7 GPa，D04的σc和E分別為32.5 MPa和6.9 GPa，D05的σc和E分別為45.9 MPa和8.2 GPa。由此可見，即使是取自同一巖塊的3個白云巖試樣，由于巖樣的初始狀態(tài)不同，最終表現(xiàn)出來的力學特性也有明顯差異。巖樣D05由于巖脈和裂隙發(fā)育較少，結構較完整，抗壓強度和彈性模量均高于其余2個巖樣的相應值。同時還會發(fā)現(xiàn)，這些取自東河口滑坡區(qū)的白云巖樣的力學參數(shù)均低于白云巖力學參數(shù)的常見范圍值，這與該區(qū)白云巖長期遭受風化侵蝕和多期構造應力作用而導致巖體結構不完整有關。

圖2 白云巖試樣的軸向應力-應變曲線圖Fig.2 Axial stress-strain curves of dolomite specimens

圖3～5分別為3個巖樣加載前后的對比圖。在單軸壓縮條件下，巖樣都出現(xiàn)了一條或多條貫通巖體上下端面的主裂縫，呈現(xiàn)拉張破壞模式。

圖3 試樣D02加載前后對比圖Fig.3 Comparison of specimen D02 before and after loading

圖4 試樣D04加載前后對比圖Fig.4 Comparison of specimen D04 before and after loading

圖5 試樣D05加載前后對比圖Fig.5 Comparison of specimen D05 before and after loading

2.2 聲發(fā)射特征分析

2.2.1 振鈴、能量、應力和時間的關系

已有的研究表明，在眾多類型的聲發(fā)射參數(shù)中，振鈴計數(shù)和能量對于材料的斷裂及損傷程度的評價具有重要意義，在材料的聲發(fā)射特征分析中最常被使用[5-15]。因此，本研究選取振鈴計數(shù)、累計振鈴計數(shù)、能量、累計能量作為聲發(fā)射參數(shù)進行白云巖樣在單軸加載過程中的聲發(fā)射特征分析，同時結合軸向應力-時間曲線，可以獲得巖樣在不同加載階段的聲發(fā)射和應力響應之間的對應性，從宏觀和微觀上共同揭示巖樣的損傷演化過程。圖6為白云巖樣聲發(fā)射的振鈴計數(shù)、累計振鈴計數(shù)、應力與時間的關系，圖7為白云巖樣聲發(fā)射的能量、累計能量、應力與時間的關系。由圖可知，白云巖巖樣的振鈴和能量參數(shù)與加載過程中的不同階段具有較好的對應性，總體表現(xiàn)出以下幾個特點：1)在初期加載的裂紋壓密階段和彈性變形階段，出現(xiàn)的聲發(fā)射振鈴計數(shù)較小，甚至沒有，發(fā)生一次聲發(fā)射事件的振鈴計數(shù)基本在200次以內(nèi)。表明該階段巖石的損傷小或無損傷，聲發(fā)射事件的產(chǎn)生主要與白云巖原生裂隙及填充物壓密、孔隙閉合等有關。閉合過程、閉合后部分粗糙面的破壞及閉合裂紋表面之間的滑移將產(chǎn)生少量的聲發(fā)射，但能量較低，對于D04和D05巖樣，累計能量-時間曲線近乎水平。該階段對應的軸向應力-時間曲線光滑；2)在裂紋穩(wěn)定擴展的變形階段，巖石因外力的不斷增加，使得巖體內(nèi)部開始出現(xiàn)新的微裂紋，并逐漸擴展延伸。但此時聲發(fā)射活動仍然非常弱，振鈴計數(shù)和能量值都很低，累計曲線近似水平或緩慢上升，應力-時間曲線也比較光滑；3)在裂紋非穩(wěn)定擴展階段，聲發(fā)射活動明顯增強，振鈴計數(shù)和能量突然增加，累計振鈴計數(shù)曲線和累計能量曲線陡然上升。從應力-時間曲線上看，當D04巖樣加載至24 MPa，D05巖樣加載至30 MPa時，均出現(xiàn)了應力的明顯跌落然后再回升的情況，這一時刻正好對應了聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量激增的時刻，表明了巖樣發(fā)生了局部破壞，但整體仍然穩(wěn)定；4)在裂紋加速擴展至破壞階段，聲發(fā)射活動再次增強。D02巖樣在到達峰值應力前，集中出現(xiàn)了一次聲發(fā)射事件，但是釋放的能量并不大，在峰后仍然出現(xiàn)了聲發(fā)射活動，并且釋放出大量的能量。D04巖樣在前一階段釋放出部分能量后，聲發(fā)射活動進入相對平靜期，直至峰值應力階段才再次出現(xiàn)較強的聲發(fā)射活動。D05巖樣自進入前一變形階段以來，聲發(fā)射活動異?；钴S，應力-時間曲線出現(xiàn)多次“跌落—回升”的情況，每一次跌落都對應了一次較強的聲發(fā)射活動，表明該巖樣的破裂呈漸進性發(fā)展。不論是哪一個巖樣，在該階段，裂紋都開始相互連接、貫通，具有明顯的應力集中特點，一些宏觀裂縫也在該階段形成。這些宏觀裂縫不斷擴大，向巖石兩端延伸，導致試件破裂，相應地，聲發(fā)射事件也異常活躍；5)峰后殘余應力階段，由于巖石破裂面之間的摩擦、錯動，舊裂紋的擴大以及新裂紋的產(chǎn)生，聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量仍然比較高，聲發(fā)射事件仍比較活躍。綜合以上分析，白云巖由于初始缺陷的存在，初始狀態(tài)不同的巖石將表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射過程和特征。初始結構越完整的巖石，聲發(fā)射活動更可能在加載的中后期才出現(xiàn)增強的現(xiàn)象，如D05巖樣。而初始缺陷較多的巖石，聲發(fā)射活動可能出現(xiàn)在加載過程中的各個階段，能量將逐漸被釋放，在臨近破壞階段，聲發(fā)射活動反而不那么活躍，如D02和D04巖樣。

圖6 白云巖試樣的聲發(fā)射振鈴參數(shù)特征Fig.6 Acoustic emission ringing parameter characteristics of the dolomite specimens

圖7 白云巖試樣的聲發(fā)射能量參數(shù)特征Fig.7 Acoustic emission energy parameter characteristics of dolomite specimens

2.2.2 巖石破壞前兆的聲發(fā)射特征

在工程實踐中，我們不僅關心巖石是如何一步步走向破壞的，而且更加關心巖石在什么時候會破壞，也即關于巖石破壞前兆的問題。已有的研究表明，研究巖石聲發(fā)射過程和應力響應過程的關系，能夠間接反映巖石的內(nèi)部損傷過程，并可基于兩者的關系識別出與巖石破壞前兆相關的聲發(fā)射信息。文獻[11，20]在這方面做了一些工作，他們基于裂紋體應變模型法和聲發(fā)射參數(shù)分析法，找到了不同變形階段的應力門檻值，給出了起裂強度和損傷強度以及與這兩個特征點相對應的聲發(fā)射參數(shù)特征。起裂強度是指巖石彈性變形階段結束后，被壓密的原生裂紋開始擴張，并伴隨新裂紋產(chǎn)生時對應的應力值。損傷強度則是巖石進入裂紋非穩(wěn)定擴展階段，也即進入屈服階段時對應的應力。根據(jù)他們的研究成果，對不同類型的巖石，即使是同一類型巖石的不同試件而言，由于巖石成分、初始結構和構造不同，在起裂強度和損傷強度點對應的聲發(fā)射參數(shù)值的選取上也會有所不同，從而給巖石破壞前兆信息的提取增加了難度。本研究借鑒以上方法，嘗試通過分析白云巖樣的聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和累計能量與應力之間的關系來給出巖石的破壞前兆特征識別點。需要指出的是，由于在單軸加載試驗中，應變只采集了軸向的，因此不能采用裂紋體應變模型法事先識別出不同變形階段的應力特征點，主要依據(jù)應力—應變曲線的特征進行判斷，帶有一定的主觀性。同時，由于單軸加載試驗和聲發(fā)射試驗數(shù)據(jù)的采集是相互獨立的，采樣時間間隔不同，在本研究中無法作出與文獻[11]中類似的聲發(fā)射參數(shù)和應力隨應變增加的曲線。因此，本研究僅采用聲發(fā)射參數(shù)和應力隨時間增加的曲線，進行巖石破壞前兆特征(損傷強度特征點或應力屈服點)的初步識別。

圖8為3個白云巖樣的應力—時間曲線和累計振鈴計數(shù)—時間曲線。D02試樣的累計振鈴計數(shù)曲線在整個加載過程中呈多級階梯式上升，前期、中期和后期都有聲發(fā)射活動出現(xiàn)，如圖6(a)和圖7(a)所示。曲線沒有出現(xiàn)明顯的激增點，反而在臨近破壞前出現(xiàn)了一次較強的聲發(fā)射活動后進入了聲發(fā)射的相對平靜期，目前這一現(xiàn)象已被多項研究揭示[15]。在此階段巖石處于一種似穩(wěn)定的臨界結構狀態(tài)，應力稍有增加，結構狀態(tài)就發(fā)生改變，進而出現(xiàn)試樣的整體性破壞。對于這一類型巖石，參照文獻[20]可將臨破壞前聲發(fā)射平靜期的起點當作為巖石即將進入破壞階段的聲發(fā)射信號特征點，如圖中點S1所示，并將應力拐點作為損傷強度特征點，如圖中點B1所示。D04試樣和D05試樣的累計振鈴計數(shù)曲線在前期和中期都為水平線，表明這兩個試樣在該階段沒有聲發(fā)射活動或者非常弱。在加載后期，兩個試樣都出現(xiàn)了累計計數(shù)的激振點，如點S2和S3所示。本研究將這個激振點作為兩個巖樣進入裂紋不穩(wěn)定擴展階段的標志。與此相對應的是，D04出現(xiàn)激振點后約4 s，應力出現(xiàn)了一次較明顯的跌落，跌落幅值約5MPa，隨即又回升。本研究將此刻對應的應力作為損傷強度值，記為B2。與此類似，將D05中應力出現(xiàn)明顯跌落時刻的應力值作為損傷強度，記為B3。B3和S3出現(xiàn)的時刻非常接近。

圖8 應力和累計振鈴計數(shù)曲線特征點取值圖Fig.8 Values of characteristic points of stress and cumulative ringing count curves

圖9為3個白云巖樣的應力-時間曲線和累計能量-時間曲線。從圖像上看，累計能量曲線較累計振鈴計數(shù)曲線的拐點進一步的“銳化”，即拐點更分明。表1給出了分別基于累計振鈴計數(shù)和累計能量識別出的巖石進入裂紋不穩(wěn)定擴展階段的時刻，發(fā)現(xiàn)對于D02和D05試樣，兩種參數(shù)識別出的時刻近乎一致，對于D04試樣，能量參數(shù)識別出的特征點時間提前了。如果作為前兆信息使用，會使得安全儲備更充足。此外，從表1可以得出，無論是累計振鈴計數(shù)還是能量計數(shù)，基于兩者識別出的特征點時間都是超前于或接近損傷強度出現(xiàn)的時刻。

圖9 應力和累計能量曲線特征點取值圖Fig.9 Values of characteristic points of stress and cumulative energy curves

表1 白云巖樣特征點出現(xiàn)的時刻Table 1 Occurrence time of characteristic points of dolomite specimens /s

3 結論

通過對白云巖開展單軸壓縮試驗和聲發(fā)射試驗，主要得到以下認識：

1)依據(jù)白云巖在單軸壓縮試驗下的應力-應變曲線，可將白云巖的變形破壞過程大致分為五個階段，且不同階段出現(xiàn)了與之相對應的聲發(fā)射信號特征。在巖石的壓密階段和彈性變形階段，巖石的聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量都很小，甚至沒有。在裂紋穩(wěn)定擴展的非線性變形階段，聲發(fā)射活動仍然很弱。但初始缺陷較多的巖樣，從加載后不久就出現(xiàn)了較明顯的聲發(fā)射。在進入裂紋加速擴展階段，累計振鈴計數(shù)曲線和累計能量曲線出現(xiàn)激增的拐點。在臨近破壞階段以及峰后階段，累計振鈴計數(shù)曲線和累計能量曲線則表現(xiàn)出了與巖石初始結構和構造相關的變化特征。

2)通過分析巖石的聲發(fā)射特征參數(shù)曲線和巖石的應力-時間曲線的關系，對巖石的破壞前兆聲發(fā)射特征進行了較為初步的探討?；诼暟l(fā)射參數(shù)特征點所識別出的巖石進入裂紋非穩(wěn)定擴展時刻，對不同的巖樣，得到了不同的結果，與巖樣的初始缺陷密切相關。但無論是累計振鈴計數(shù)還是累計能量，基于兩者識別出的特征點時間都是超前于或接近損傷強度出現(xiàn)的時刻。如果作為前兆信息識別，選用累計能量參數(shù)會使得安全儲備更充足。