單軸壓縮下不同含水狀態(tài)砂巖損傷演化試驗(yàn)

田芯宇，趙伏軍,2*，劉永宏，陳 彪，陳品崟

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201)

在荷載作用下，巖石內(nèi)部原有的微裂隙、微孔隙因外界作用進(jìn)一步擴(kuò)展，隨著荷載的不斷增加，巖石變形逐漸增大，巖石內(nèi)部的微缺陷不斷變化，微破裂將在一個(gè)臨界點(diǎn)發(fā)生質(zhì)的變化，儲(chǔ)存的能量以彈性波的形式迅速釋放，最終導(dǎo)致巖石破壞。因此，利用巖石變形破壞過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射和電磁輻射現(xiàn)象檢測(cè)細(xì)觀組織結(jié)構(gòu)變化及宏觀力學(xué)性能變化，能更好地研究巖石破壞機(jī)制及損傷演化規(guī)律。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石破壞過(guò)程中聲發(fā)射和電磁輻射特性進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，取得了豐碩的研究成果。Jia等[1]通過(guò)力學(xué)性能和實(shí)時(shí)聲發(fā)射(AE)測(cè)試，研究了三軸壓縮條件下不同深度煤體損傷的時(shí)空演化規(guī)律。高保彬等[2]通過(guò)不同破壞類型的煤巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了煤巖聲發(fā)射信號(hào)具有分形特征。楊睿[3]發(fā)現(xiàn)了三軸壓縮作用下飽水狀態(tài)試樣聲發(fā)射信號(hào)存在“滯后”現(xiàn)象。郝以瑞等[4]研究了砂巖常規(guī)壓縮下的聲發(fā)射特征及損傷演化規(guī)律。高子興等[5]利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)研究了不同含水狀態(tài)巖石破裂的損傷演化規(guī)律。姚歡迎等[6]研究了頁(yè)巖單軸壓縮聲發(fā)射特征，首次提出受載巖石損傷先減小后增大，建立了更加合理的損傷本構(gòu)模型。王恩元等[7-9]對(duì)受載巖石進(jìn)行電磁輻射特性研究，研究表明電磁輻射能很好地反映巖石破碎變形。宋曉艷等[10]通過(guò)對(duì)含預(yù)制裂隙粉砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原生巖樣破壞的電磁輻射強(qiáng)度高于含預(yù)制裂紋巖樣的電磁輻射強(qiáng)度。樊勇等[11]利用分形理論對(duì)花崗巖單軸壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射脈沖數(shù)進(jìn)行了分形特征分析。

綜觀上述研究，其成果主要集中在巖石破壞過(guò)程中聲電效應(yīng)研究，而關(guān)于不同含水狀態(tài)下巖石聲發(fā)射和電磁輻射的損傷特性研究較少，因此，本文以紅砂巖為研究對(duì)象，進(jìn)行不同含水狀態(tài)巖石的單軸壓縮試驗(yàn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)聲發(fā)射和電磁輻射信號(hào)，對(duì)干燥、自然、飽水三種狀態(tài)下巖石破碎損傷特性進(jìn)行研究與分析，為巖石失穩(wěn)破壞的前兆預(yù)警提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)加載系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、AEwin-USB型聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)和KBD5電磁輻射采集系統(tǒng)(圖1)。為保證聲發(fā)射信號(hào)和電磁輻射信號(hào)的采集效果，在試件和聲發(fā)射探頭之間涂抹耦合劑，同時(shí)在試驗(yàn)裝置上加蓋防輻射材料。加載方式采用位移控制式，加載速率為0.002 mm/s。聲發(fā)射儀門檻值設(shè)定為45 dB，聲發(fā)射系統(tǒng)總增益值設(shè)為76 dB(其中前放增益值為40 dB，主放增益值為36 dB)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

1.2 試樣制備

1.2.1 試驗(yàn)材料選取及分類

試驗(yàn)選用紅砂巖材料，試樣尺寸為Φ50 mm×100 mm，不平行度和不垂直度低于0.02 mm。不同含水狀態(tài)設(shè)為干燥狀態(tài)、自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)三種，每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)3個(gè)試樣，試樣的分類編號(hào)如表1所示。

表1 試樣分類

1.2.2 不同含水狀態(tài)砂巖制備及分類

根據(jù)試驗(yàn)要求，3種不同含水狀態(tài)紅砂巖具體制備方法如下：①干燥狀態(tài)試樣：將試樣放在108°的干燥箱烘干48 h。②自然狀態(tài)試樣：將加工完成的巖樣直接用保鮮膜包裹好。③飽水狀態(tài)試樣：根據(jù)《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL264—2001)自由吸水法的步驟，先將水浸沒(méi)試件1/3的位置，12 h后將水位加至2/3高度，再過(guò)12 h后，使試件全部浸入水中，浸泡30 d后飽水試件制作完成。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)特征分析

三種含水狀態(tài)紅砂巖單軸壓縮所得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，其全應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征大致相同，都可以看作經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服和破壞4個(gè)階段：①壓密階段(OA段)：三種狀態(tài)試件全應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹型，并且在此段中非線性特征較為明顯，這是由于巖石內(nèi)部原本存在的微小裂隙或孔隙被逐漸壓密。②彈性變形與裂隙發(fā)展階段(AC段)：巖石隨著內(nèi)部裂隙的變化，從彈性變形階段(AB段)進(jìn)入裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC段)。③屈服階段(CD段)：C點(diǎn)為屈服點(diǎn)，表示巖石從彈性階段進(jìn)入塑性階段。進(jìn)入本階段后，試樣裂隙迅速擴(kuò)展，試樣體積由壓縮變?yōu)閿U(kuò)容。④破壞后階段(D點(diǎn)以后段)：在此階段中巖石內(nèi)部微裂隙迅速交叉擴(kuò)展直至試件完全破壞，巖石應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后迅速跌落。

圖2 三種含水狀態(tài)紅砂巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Total stress - strain curves of red sandstone in three water-bearing states

2.2 聲發(fā)射及電磁輻射特征分析

在單軸壓縮過(guò)程中，不同含水狀態(tài)應(yīng)力-時(shí)間聲發(fā)射信號(hào)特征曲線如圖3所示，應(yīng)力-時(shí)間-電磁輻射信號(hào)特征曲線如圖4所示。從圖3和圖4可以看出，巖石的聲發(fā)射和電磁輻射特征曲線均可分為壓密、彈性、屈服和破壞四個(gè)階段。加載初期即為巖石壓密階段，應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，三種不同含水狀態(tài)下的砂巖的聲發(fā)射信號(hào)較弱，但電磁輻射脈沖數(shù)出現(xiàn)較強(qiáng)信號(hào)；隨后進(jìn)入彈性階段，飽水狀態(tài)試樣的聲發(fā)射信號(hào)相較于干燥與自然狀態(tài)增長(zhǎng)不明顯，這是由于巖石內(nèi)部微裂隙被水“軟化”，導(dǎo)致產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)變?nèi)?，此時(shí)電磁輻射信號(hào)維持在某個(gè)值附近，沒(méi)有較大變化趨勢(shì)；隨著載荷的不斷增加，巖石進(jìn)入應(yīng)力屈服階段，微裂隙快速發(fā)展，出現(xiàn)了質(zhì)的變化，彈性能大量釋放，干燥與自然試樣聲發(fā)射信號(hào)迅速增加，該過(guò)程中的電磁輻射脈沖數(shù)和電磁輻射最大值也迅速增加；當(dāng)試樣進(jìn)入破壞階段后，裂隙迅速發(fā)展、貫通，直至試樣完全破壞，應(yīng)力與聲發(fā)射和電磁輻射信號(hào)達(dá)到峰值強(qiáng)度?？偟膩?lái)說(shuō)，聲發(fā)射、電磁輻射信號(hào)特征曲線和巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有較好的一致性，但電磁輻射的整體信號(hào)變化規(guī)律與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的吻合度沒(méi)有聲發(fā)射信號(hào)特征曲線高。

圖3 不同含水狀態(tài)巖樣應(yīng)力-時(shí)間-聲發(fā)射信號(hào)特征曲線Fig.3 Characteristic curves of stress-time-AE signals of rock samples in different water-bearing states

圖4 不同含水狀態(tài)巖樣應(yīng)力-時(shí)間-電磁輻射信號(hào)特征曲線Fig.4 Characteristic curves of stress-time-Electromagnetic radiation signals of rock samples in different water-bearing states

3 損傷特征分析

3.1 損傷演化特性

對(duì)于損傷演化方程的建立方法有很多，文獻(xiàn)[12]中提到Weibull分布函數(shù)可近似反映微元強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的不同，因此本文采用Weibull分布函數(shù)來(lái)建立試樣微元損傷率φ(ε)的方程，即有：

(1)

式中：ε為試樣受壓過(guò)程中的應(yīng)變值；m為試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)；α為式樣的尺度參數(shù)。

研究巖石在破壞過(guò)程中的損傷特性常利用損傷變量D來(lái)確定其劣化程度，D與φ(ε)有如下關(guān)系：

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)可得損傷變量D為：

(3)

若無(wú)損巖樣斷面發(fā)生完全破壞時(shí)的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)為E0，E為巖樣應(yīng)力值為ε時(shí)的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)，則有：

(4)

同理，N0為無(wú)損巖樣斷面發(fā)生完全破壞時(shí)的電磁輻射累計(jì)脈沖數(shù)，N為巖樣應(yīng)力值為ε時(shí)的累計(jì)脈沖數(shù)，有：

(5)

結(jié)合式(3)與式(4)，基于聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的損傷變量De與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的關(guān)系有：

(6)

結(jié)合式(3)與式(5)，基于電磁輻射脈沖數(shù)的損傷變量Dn與累計(jì)脈沖數(shù)的關(guān)系有：

(7)

由式(6)得到基于聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的巖石應(yīng)力、損傷變量與應(yīng)變的關(guān)系(圖5)，由式(7)可得基于電磁輻射脈沖數(shù)的砂巖損傷演化過(guò)程(圖6)。結(jié)合圖5、圖6，根據(jù)損傷的發(fā)展速度將紅砂巖損傷演化過(guò)程大致分為三個(gè)階段：(Ⅰ)初始損傷階段：巖石內(nèi)部微裂隙等變化很小，三種狀態(tài)的損傷值較小，損傷曲線斜率都較小，增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩慢，但電磁輻射損傷值比聲發(fā)射損傷值增長(zhǎng)較明顯，這是由于電磁輻射脈沖數(shù)在加載初期就具有一定的強(qiáng)度；(Ⅱ)損傷持續(xù)增長(zhǎng)階段：巖石開始出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形，裂紋增多，該階段的聲發(fā)射損傷曲線呈下凹型，電磁輻射損傷曲線斜率變大，砂巖損傷速度變快；(Ⅲ)損傷快速增長(zhǎng)階段：聲發(fā)射和電磁輻射的損傷曲線都呈上凸型，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值，損傷變量值也達(dá)到1?？偟膩?lái)說(shuō)，損傷變量特征曲線與巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線有著較好的一致性，能反映巖石的損傷演化規(guī)律及其破壞過(guò)程，為巖石失穩(wěn)預(yù)警提供了理論依據(jù)。

圖5 基于聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的三種含水狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變-損傷變量關(guān)系曲線Fig.5 Stress-strain - damage variable relation curves based on acoustic emission bell count in three water-bearing states

圖6 基于電磁輻射脈沖數(shù)的三種含水狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變-損傷變量關(guān)系曲線Fig.6 Stress-strain - damage variable relation curves of three water-bearing states based on the number of electromagnetic radiation pulses

3.2 不同含水狀態(tài)巖樣損傷特性

由于聲發(fā)射與電磁輻射信號(hào)的產(chǎn)生都和裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展有關(guān)，而裂紋的產(chǎn)生又會(huì)受到水的影響，因此不同含水狀態(tài)巖樣的損傷規(guī)律就會(huì)不同。表2、表3為不同含水狀態(tài)巖樣損傷演化過(guò)程中的各階段聲電信號(hào)特征值所占比例。由表2、表3縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，?dāng)處于初始損傷階段時(shí)，干燥、自然和飽水狀態(tài)的振鈴計(jì)數(shù)分別占各自累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的3.2%、4.6%和6.9%，對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)分別占各自累計(jì)脈沖數(shù)的8.7%、12.3%、16.8%；損傷持續(xù)增長(zhǎng)階段中，干燥、自然和飽水狀態(tài)的振鈴計(jì)數(shù)所占比例分別為11.5%、18.6%和29.1%，三種狀態(tài)的脈沖數(shù)所占比例分別為21.6%、22.6%、23.7%，上述兩個(gè)階段中含水巖樣的聲電信號(hào)所占比例明顯高于干燥巖樣，這是由于在試驗(yàn)前期應(yīng)力較低時(shí)，巖樣內(nèi)部微裂紋水的軟化作用下強(qiáng)度降低，裂紋持續(xù)產(chǎn)生與擴(kuò)展，從而產(chǎn)生了更多的聲電信號(hào)；而在損傷快速增長(zhǎng)階段中，干燥、自然和飽水狀態(tài)的振鈴計(jì)數(shù)所占比例分別為85.3%、76.8%和64%，三種狀態(tài)的脈沖數(shù)所占比例分別為69.7%、65.1%、59.5%，可以看出隨著應(yīng)力的增加，干燥狀態(tài)巖樣的聲電信號(hào)所占比例超過(guò)了含水巖樣，這是因?yàn)槠鋬?nèi)部微裂紋逐漸達(dá)到了屈服極限，積攢的彈性能快速釋放所造成的。而從橫向?qū)Ρ瓤芍?，隨著損傷程度的加深，振鈴計(jì)數(shù)和脈沖數(shù)所占比例也隨之增加。綜上可得，在不同損傷演化階段中聲電信號(hào)的所占比例能很好地反映巖石的損傷演化規(guī)律，且含水狀態(tài)的改變對(duì)巖石的損傷演化規(guī)律具有一定的影響。

表2 砂巖損傷演化過(guò)程中聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)各階段所占比例

表3 砂巖損傷演化過(guò)程中電磁輻射脈沖數(shù)各階段所占比例

4 結(jié)論

1)隨著含水狀態(tài)的改變，試樣強(qiáng)度發(fā)生改變，聲發(fā)射和電磁輻射信號(hào)也有所改變。聲發(fā)射、電磁輻射信號(hào)特征曲線和巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有較好的一致性，能反映巖石的損傷演化規(guī)律及其破壞過(guò)程，為巖石失穩(wěn)預(yù)警提供了理論依據(jù)。

2)基于聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和電磁輻射脈沖數(shù)建立的損傷演化模型能夠較好地反映巖石變形過(guò)程中破裂的發(fā)展，可將紅砂巖損傷演化過(guò)程分為初始損傷、損傷持續(xù)增長(zhǎng)、損傷快速增長(zhǎng)三個(gè)階段。

3)隨著損傷程度的加深，振鈴計(jì)數(shù)和脈沖數(shù)所占比例也隨之增加，不同損傷演化階段中聲電信號(hào)所占比例能很好地反映巖石的損傷演化規(guī)律。

4)在初始損傷和損傷持續(xù)增長(zhǎng)階段中，飽水狀態(tài)振鈴計(jì)數(shù)和脈沖數(shù)所占比例最高，干燥狀態(tài)最低，在損傷快速增長(zhǎng)階段則相反，含水狀態(tài)的改變對(duì)巖石的損傷演化規(guī)律具有一定的影響。