聲發(fā)射和變形場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

王曉雷，蔣鵬程，閆順璽，詹思博，皇甫潤(rùn)，王尚政

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山 063210)

隨著巖土工程向深部的推進(jìn)，地下工程面臨高應(yīng)力等復(fù)雜賦存條件。在開挖過程中，巖石內(nèi)部應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展和貫通，巖石破裂失穩(wěn)，由此引發(fā)的災(zāi)害嚴(yán)重影響巖土工程的安全。因此，研究巖石破裂特征、前兆預(yù)警有重要意義。

巖石在應(yīng)力作用下發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生的彈性波在介質(zhì)中傳播，以聲發(fā)射(acoustic emission，AE)信號(hào)的形式被監(jiān)測(cè)到，因此，聲發(fā)射可以監(jiān)測(cè)巖石內(nèi)部裂紋的發(fā)育、擴(kuò)展情況，刻畫巖石破裂的孕育、發(fā)生過程。作為一種無損監(jiān)測(cè)手段，聲發(fā)射技術(shù)被廣泛運(yùn)用于巖石損傷監(jiān)測(cè)，為巖石失穩(wěn)參數(shù)特征演化分析、前兆信息識(shí)別與災(zāi)害預(yù)警等研究提供了重要的數(shù)據(jù)[1-6]。但是，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)手段對(duì)巖石表面裂紋演化的監(jiān)測(cè)效果較差，實(shí)際工程中，有時(shí)不僅需要知道預(yù)警時(shí)間，也需要知道預(yù)警位置。變形場(chǎng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖石表面裂紋演化情況，可彌補(bǔ)聲發(fā)射在此方面的不足。變形局部化是巖石不穩(wěn)定的重要表現(xiàn)形式，同時(shí)也是巖石破壞的前兆[7]。許多學(xué)者就巖石的變形局部化進(jìn)行了分析，諸如研究含預(yù)制裂紋試件的局部化演變過程[8-10]和沖擊荷載作用下砂巖的剪切局部化特征[11]等。

在巖石破裂失穩(wěn)的預(yù)警中，考慮到災(zāi)害發(fā)生的隨機(jī)性、突發(fā)性和影響因素的多樣性，多種手段聯(lián)合監(jiān)測(cè)已成為災(zāi)害預(yù)警的主要趨勢(shì)和途徑[12]。本文采用聲發(fā)射和變形場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行片麻巖單軸壓縮試驗(yàn)，分析兩種監(jiān)測(cè)手段與巖石破裂失穩(wěn)的聯(lián)系，提供一種更全面的預(yù)警方法。研究結(jié)果為實(shí)際工程巖體的穩(wěn)定性控制及防治提供理論依據(jù)。

1 聲發(fā)射和變形場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)選用的片麻巖樣品為唐山市某礦區(qū)一種極具代表性的層狀巖石材料，巖樣如圖1所示，整體呈青灰色，表面分布不同寬度、深淺不一的條帶狀礦物，淺色部分粒狀變晶礦物以石英、長(zhǎng)石等礦物為主，黑云母、角閃石等深色礦物在其中相間分布。巖石深淺礦物分布相對(duì)集中，巖樣整體呈現(xiàn)出深淺條帶狀相間排列的片麻狀構(gòu)造，條帶寬度區(qū)間為2～30 mm。取樣后經(jīng)過切割、打磨等工序，將樣品制成50 mm×50 mm×100 mm表面不平行度小于0.02的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體樣品。試驗(yàn)準(zhǔn)備10塊片麻巖樣品，將樣品編號(hào)為PM-A，PM表示片麻巖，A表示第A號(hào)樣品。

圖1 片麻巖試樣

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)字散斑(digital image correlation，DIC)測(cè)量系統(tǒng)組成。

加載系統(tǒng)采用TAW-3000型剛性伺服試驗(yàn)機(jī)(圖2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加載和應(yīng)力數(shù)據(jù)收集工作，單軸軸向壓縮試驗(yàn)加載采用位移控制方式，加載速率為0.002 mm/s，加載至試樣失去承載能力后停止加載。聲發(fā)射設(shè)備采用北京軟島DS5-16B型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是全局動(dòng)態(tài)無損監(jiān)測(cè)，穩(wěn)定性好，靈敏度高，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖石內(nèi)部破裂信息。DIC測(cè)量系統(tǒng)采用美國(guó)CSI公司VIC-3D全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有非接觸性、無損測(cè)試、環(huán)境要求低、實(shí)驗(yàn)過程可追溯可評(píng)估的優(yōu)點(diǎn)，可直接獲得全場(chǎng)應(yīng)變、位移、形貌等數(shù)據(jù)。

為減小試驗(yàn)的離散程度，選擇層理均勻、結(jié)構(gòu)完整的試件。試驗(yàn)前在試件觀測(cè)面繪制隨機(jī)散斑，將聲發(fā)射探頭固定在試件側(cè)面，布置位置如圖3所示。試驗(yàn)開始時(shí)，將加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和DIC測(cè)量系統(tǒng)同時(shí)開啟，保證以統(tǒng)一的時(shí)間記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 聲發(fā)射探頭布置位置

圖4 PM-2累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)

聲發(fā)射是指由于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而引起材料應(yīng)力突然重新分布，機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷?，產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)可反映巖石內(nèi)部破裂的強(qiáng)度和頻度，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)能反映聲發(fā)射信號(hào)的增長(zhǎng)速率。巖石應(yīng)力-聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)間三者的關(guān)系曲線如圖4所示，限于篇幅，僅列出較為典型的試件PM-2。應(yīng)力較低時(shí)，應(yīng)力曲線向上彎曲，當(dāng)應(yīng)力增加到一定值后，曲線呈近直線，最后，曲線向下彎曲，曲線整體呈“S”形。由應(yīng)力曲線將巖石的變形分為壓密階段(Ⅰ)、彈性階段(Ⅱ)、塑性階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)四個(gè)階段。

壓密階段(Ⅰ，0～84 s)：試件中原有微裂紋或者張開性結(jié)構(gòu)面被壓密，形成早期的非線性變形，應(yīng)力曲線呈上凹型。由于片麻巖結(jié)構(gòu)較致密，加載過程中壓密階段持續(xù)時(shí)間較短，試件內(nèi)部沒有裂紋萌生或者裂紋尺度較小聲發(fā)射探頭無法接收，因此壓密階段監(jiān)測(cè)不到振鈴計(jì)數(shù)。

彈性階段(Ⅱ，85～278 s)：該階段載荷曲線呈近直線形，裂紋穩(wěn)定發(fā)展，并且有零星振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)，表明隨著載荷增加，在外力作用下試件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋開始萌生、擴(kuò)展。加載至第205 s時(shí)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線第一次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(點(diǎn)A)，作為啟動(dòng)點(diǎn)，代表巖石處于裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段。

塑性階段(Ⅲ，279～328 s)：相較于彈性階段，此階段聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)明顯增多，但仍維持在一個(gè)較低的水平。隨著應(yīng)力的增加，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線持續(xù)上升，上升速度比較穩(wěn)定。

破壞階段(Ⅳ，329～363 s)：試樣承載力達(dá)到峰值后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，但試件基本保持整體狀，具有一定的殘余應(yīng)力。加載至第329 s時(shí)，應(yīng)力突降，振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)激增，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線以近豎直的形態(tài)陡升，上升幅度約占總振鈴計(jì)數(shù)的20%。定義此轉(zhuǎn)折點(diǎn)(點(diǎn)B)為巖石破裂預(yù)警點(diǎn)，代表巖石接近破壞。隨后應(yīng)力出現(xiàn)數(shù)次起伏波動(dòng)，應(yīng)力突降時(shí)一般伴有振鈴計(jì)數(shù)激增，但增加量和應(yīng)力降幅無對(duì)應(yīng)關(guān)系。直至第363 s巖石失去承載能力，試件完全破壞。

綜上所述，在單軸壓縮荷載作用下，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)可表征巖石內(nèi)部狀態(tài)。定義累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線第一次出現(xiàn)斜率陡增(點(diǎn)B)作為巖石破裂預(yù)警點(diǎn)。結(jié)合所有試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)警點(diǎn)多出現(xiàn)在臨近峰值應(yīng)力之前。

2.2 變形場(chǎng)應(yīng)變均方差

雖然聲發(fā)射系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)巖石內(nèi)部破裂信息，但無法描述巖石表面裂紋的演化過程。目前對(duì)于巖石變形演化特征分析常采用數(shù)字散斑相關(guān)(DIC)測(cè)量方法，該方法是對(duì)全場(chǎng)位移和應(yīng)變進(jìn)行量化分析的光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法。其原理是計(jì)算機(jī)將物體變形前后的圖像散斑進(jìn)行對(duì)比，通過灰階找到圖像相關(guān)區(qū)域從而計(jì)算出物體表面位移和應(yīng)變分布。試樣每一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)此點(diǎn)的應(yīng)變值，計(jì)算應(yīng)變值的均方差，可得到應(yīng)變分布的離散程度。定義某時(shí)刻應(yīng)變場(chǎng)的均方差見式(1)。

(1)

(2)

計(jì)算試樣加載過程中的應(yīng)變場(chǎng)，用式(1)統(tǒng)計(jì)其主應(yīng)變場(chǎng)的均方差。限于篇幅，以PM-2試樣應(yīng)變均方差的演化曲線(圖5)為例。

圖5 PM-2應(yīng)變均方差曲線

從圖5中可以看出，巖石試樣的應(yīng)力曲線和應(yīng)變均方差曲線在時(shí)域上具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由應(yīng)力曲線將巖石的變形分為壓密階段(Ⅰ)、彈性階段(Ⅱ)、塑性階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)四個(gè)階段。圖6中，應(yīng)變集中帶一般代表此處有裂紋出現(xiàn)，應(yīng)變值大小代表應(yīng)變的大小。

壓密階段(Ⅰ，0～84 s)：此階段試件原有微裂紋或者張開性結(jié)構(gòu)面被壓密，橫向膨脹較小。圖5應(yīng)變均方差整體偏小，選取第50 s應(yīng)變圖表現(xiàn)此階段應(yīng)變情況，由圖6可知，此階段變形場(chǎng)應(yīng)變分布比較均勻，且應(yīng)變值較小。

彈性階段(Ⅱ，85～278 s)：此階段裂紋穩(wěn)定發(fā)展，圖5加載至第209 s時(shí)，應(yīng)變均方差曲線第一次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(點(diǎn)C)，作為啟動(dòng)點(diǎn)，代表巖石處于裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段。由圖6第209 s(點(diǎn)C)應(yīng)變圖可知，此時(shí)在巖石觀測(cè)面左上位置有應(yīng)變集中帶出現(xiàn)，之后此條帶處應(yīng)變值持續(xù)增大，代表此處裂紋持續(xù)發(fā)展。

塑性階段(Ⅲ，279～328 s)：此階段試件由體積壓縮逐漸轉(zhuǎn)為擴(kuò)容，應(yīng)變均方差曲線以穩(wěn)定的速率增長(zhǎng)，應(yīng)變值穩(wěn)定上升。選取第300 s應(yīng)變圖表現(xiàn)此階段應(yīng)變情況，由圖6可知，除了左上方原有裂紋持續(xù)發(fā)展外，正上方和右下方都出現(xiàn)應(yīng)變集中帶，即此處有裂紋出現(xiàn)，之后此處裂紋持續(xù)發(fā)展。

破壞階段(Ⅳ，329～363 s)：此階段裂隙發(fā)展速度較快，裂隙交叉、聯(lián)合形成宏觀斷裂面，巖石變形主要表現(xiàn)為沿著宏觀斷裂面的塊體滑移。圖5加載至第353 s時(shí)，應(yīng)力大幅度降低，應(yīng)變均方差曲線激增。定義此轉(zhuǎn)折點(diǎn)(點(diǎn)D)為巖石破裂預(yù)警點(diǎn)，代表巖石接近破壞。由圖6第353 s(點(diǎn)D)應(yīng)變圖可知，原有裂紋持續(xù)發(fā)展，正上和右下裂紋有貫通趨勢(shì)，應(yīng)變值持續(xù)增大。隨后巖石失去承載能力，試樣完全破壞。應(yīng)變集中帶位置與圖6破壞后圖像裂紋位置吻合，即應(yīng)變圖可描述巖石表面裂紋演化情況。

由圖6可知，巖石試樣發(fā)生局部變形后，應(yīng)變場(chǎng)分布特征為少數(shù)散斑(應(yīng)變集中帶內(nèi))的變形量遠(yuǎn)大于其他散斑(應(yīng)變集中帶外)的變形量，導(dǎo)致應(yīng)變均方差曲線在第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段尤其是第Ⅳ階段的急劇上升。第Ⅳ階段為宏觀裂紋活動(dòng)階段，從應(yīng)變演化的角度可理解為更加嚴(yán)重的局部變形階段，因此應(yīng)變均方差數(shù)值持續(xù)增加。

綜上所述，在單軸壓縮荷載作用下，變形場(chǎng)可有效表征巖石表面裂紋演化，且具有一定預(yù)警能力。定義應(yīng)變均方差曲線第一次出現(xiàn)斜率陡增(點(diǎn)D)作為巖石破裂預(yù)警點(diǎn)。結(jié)合所有試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)警點(diǎn)多出現(xiàn)在破壞階段。

圖6 變形場(chǎng)應(yīng)變演化云圖

3 聲發(fā)射與變形場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)能較好表征巖石內(nèi)部破裂情況，但無法描述巖石表面裂紋的演化過程；DIC測(cè)量方法能描述巖石表面裂紋的演化情況，但對(duì)巖石內(nèi)部破裂信息監(jiān)測(cè)效果較差。聲發(fā)射和變形場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)可進(jìn)一步對(duì)預(yù)警指標(biāo)提供理論依據(jù)。為了比較聲發(fā)射監(jiān)測(cè)與DIC測(cè)量?jī)煞N手段的預(yù)警效果，將聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線和變形場(chǎng)應(yīng)變均方差曲線進(jìn)行對(duì)比。同樣由應(yīng)力曲線將巖石的變形分為壓密階段(Ⅰ)、彈性階段(Ⅱ)、塑性階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)四個(gè)階段，如圖7所示。

圖7 PM-2累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和應(yīng)變均方差曲線

表1 片麻巖預(yù)警點(diǎn)處曲線上升幅度占總體比例

壓密階段(Ⅰ，0～84 s)：兩個(gè)預(yù)警參數(shù)量值較小，上升速度緩慢，不需要進(jìn)行預(yù)警。

彈性階段(Ⅱ，85～278 s)：兩個(gè)預(yù)警參數(shù)皆出現(xiàn)啟動(dòng)點(diǎn)，由圖7可知啟動(dòng)點(diǎn)時(shí)間差別不大，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)啟動(dòng)點(diǎn)(點(diǎn)A)稍早于變形場(chǎng)應(yīng)變均方差啟動(dòng)點(diǎn)(點(diǎn)C)，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線上升幅度小于應(yīng)變均方差曲線。

塑性階段(Ⅲ，279～328 s)：兩個(gè)預(yù)警參數(shù)曲線以穩(wěn)定的速率增長(zhǎng)，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)上升速度大于變形場(chǎng)均方差曲線。

破壞階段(Ⅳ，329～363 s)：兩個(gè)預(yù)警參數(shù)曲線出現(xiàn)激增，激增處定義為預(yù)警點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)所有試樣結(jié)果，整體上聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)預(yù)警點(diǎn)(點(diǎn)B)早于變形場(chǎng)應(yīng)變均方差預(yù)警點(diǎn)(點(diǎn)D)。聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線上升幅度小于應(yīng)變均方差曲線上升幅度。預(yù)警點(diǎn)處聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線上升幅度占總體的20%～50%，平均占比34.65%；應(yīng)變均方差曲線上升幅度占總體的25%～65%，平均占比41.15%。在實(shí)際工程巖體破裂預(yù)警時(shí)，由于監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)觀測(cè)，無法得知預(yù)警參數(shù)總體量值。但是相同地質(zhì)環(huán)境下巖體物理性質(zhì)差別不大，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)總體占比。

綜上所述，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和變形場(chǎng)應(yīng)變均方差兩個(gè)參數(shù)曲線啟動(dòng)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間差距不大，預(yù)警點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間差距較大，總體上聲發(fā)射比變形場(chǎng)更早監(jiān)測(cè)到破裂信息。兩個(gè)預(yù)警參數(shù)曲線以近豎直斜率大幅上升時(shí)即可預(yù)警，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線上升幅度占總體的20%～50%，平均占比34.65%，應(yīng)變均方差曲線上升幅度占總體的25%～65%，平均占比41.15%。在時(shí)間上，聲發(fā)射整體早于變形場(chǎng)，但在空間上，變形場(chǎng)可實(shí)時(shí)觀測(cè)巖石表面裂紋演化情況。將兩種監(jiān)測(cè)手段聯(lián)合，能更全面了解工程巖體破裂情況，為實(shí)際工程巖體的穩(wěn)定性控制及防治提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

1) 聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和變形場(chǎng)應(yīng)變均方差兩個(gè)參數(shù)曲線啟動(dòng)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間差距不大，預(yù)警點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間差距較大，總體上聲發(fā)射比變形場(chǎng)更早監(jiān)測(cè)到破裂信息。

2) 聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線和應(yīng)變均方差曲線第一次以近豎直斜率大幅上升時(shí)即可預(yù)警，代表巖石即將破壞。聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線上升幅度占總體的20%～50%，平均占比34.65%，應(yīng)變均方差曲線上升幅度占總體的25%～65%，平均占比41.15%。

3) 巖石破裂失穩(wěn)預(yù)警，在時(shí)間上聲發(fā)射比變形場(chǎng)更早觀測(cè)到，在空間上變形場(chǎng)可實(shí)時(shí)觀測(cè)巖石表面裂紋演化情況。將兩種監(jiān)測(cè)手段聯(lián)合，能更全面了解工程巖體破裂情況，為實(shí)際工程巖體的穩(wěn)定性控制及防治提供理論依據(jù)。