單軸壓縮條件下預(yù)制裂紋紅砂巖試樣聲發(fā)射特征研究*

宋宜猛，趙凱杰，楊小彬

(1.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

材料變形演化破壞過程、受載方式及微觀結(jié)構(gòu)等內(nèi)外因素對巖土工程建設(shè)、運營及維護(hù)均具有決定性作用。巖石材料在荷載作用下發(fā)生破壞，主要與裂紋的形成、擴展及聚合過程有關(guān)，在裂紋演化過程中，其巖石內(nèi)部儲存的能量以應(yīng)力波的形式突然釋放，進(jìn)而產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射技術(shù)是1種研究巖石材料力學(xué)性質(zhì)的較為有效的方法。目前，學(xué)者通過研究含預(yù)制裂紋的巖石試樣在單軸壓縮過程中的聲發(fā)射特征，從試驗層面獲取信息進(jìn)行巖土災(zāi)害預(yù)測預(yù)報，成果顯著：梁鵬等[1]通過研究巖石聲發(fā)射特征，分析巖石聲發(fā)射與巖石微破裂之間的關(guān)系；姜永東等[2]研究砂巖在飽和、自然、風(fēng)干3種狀態(tài)下的單軸抗壓強度特性和三軸抗壓強度特性，并將其劃分為3個階段；胡昕等[3]通過采集紅砂巖的微細(xì)結(jié)構(gòu)圖像系列，對單軸壓縮條件下微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律進(jìn)行分析；Wassermann等[4]研究常規(guī)壓縮條件下砂巖試樣的聲發(fā)射和損傷演化特征；鄧琦等[5]對云南坡銅礦2種砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗，并利用聲發(fā)射儀測試加載中的聲發(fā)射活動，證明巖石變形與聲發(fā)射活動之間存在良好對應(yīng)關(guān)系；Yang等[6]對單裂隙的脆性砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗，分析單裂隙試樣幾何形狀對于砂巖試樣強度和變形破壞過程的影響，并對單裂隙類型進(jìn)行分類；Wasanth[7]研究單軸壓縮作用下不同方向?qū)永黹g砂巖的力學(xué)行為及能量釋放特性，并運用聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測試件在整個失穩(wěn)破壞過程中的聲發(fā)射能量情況；Patonin[8]研制用于記錄聲發(fā)射信號的MSR-AE-21高速多通道系統(tǒng)，對實驗室單軸和三軸應(yīng)變條件下的巖石進(jìn)行測試。

雖然國內(nèi)外學(xué)者用聲發(fā)射對巖石材料在單軸壓縮條件下的失穩(wěn)破壞過程進(jìn)行監(jiān)測[9-15]，但大部分只對巖石試樣裂紋的演化規(guī)律進(jìn)行分析，對含預(yù)制裂紋試樣在單軸壓縮條件下的整體失穩(wěn)破壞過程研究尚有不足，尤其對裂紋角度鮮有涉及。因此，本文對含預(yù)制裂紋的砂巖試樣在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特征進(jìn)行分析，裂紋角度包括0°，45°，90°，并基于振鈴計數(shù)、聲發(fā)射能量等基本參數(shù)，對聲發(fā)射RA值在不同角度預(yù)制裂紋試樣中的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 巖石單軸壓縮聲發(fā)射試驗

1.1 巖石試樣制備

試驗選用紅砂巖材料，按照ISRM測試方法制作尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的試件，如圖1所示。根據(jù)預(yù)制裂紋有無及角度不同，將試件分為4類，分別為無裂紋完好試件A、含水平0°角裂紋試件B、含垂直90°裂紋試件C、含傾斜45°裂紋試件D。其中裂紋為穿透裂紋，裂紋長13 mm，寬2 mm。

圖1 紅砂巖試樣Fig.1 Red sandstone specimens

1.2 試驗設(shè)備

試驗通過采用伺服加載控制系統(tǒng)及聲發(fā)射檢測系統(tǒng)配合完成，試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)Fig.2 Test system

加載裝置采用伺服壓力機，自動記錄加載時荷載-位移曲線等。聲發(fā)射采用DS5-32B全信息聲發(fā)射儀，探測砂巖試件損傷和破壞過程，可同時采集幅度、振鈴計數(shù)、能量等參數(shù)。

1.3 參數(shù)選取

從試驗中選取應(yīng)力、時間等力學(xué)參數(shù)以及聲發(fā)射振鈴計數(shù)、能量、上升時間、幅度等聲發(fā)射參數(shù)，用以分析4組砂巖試樣。

加載系統(tǒng)采用位移控制，加載位移速率為0.01 mm/s；聲發(fā)射信號采集探頭布置在試件兩相鄰側(cè)面，每個側(cè)面布置3個探頭；前置放大器增益設(shè)為40 dB，門檻值設(shè)為100 dB，采樣率為3 MHz。

2 砂巖試樣聲發(fā)射試驗結(jié)果分析

對未處理砂巖試樣及含預(yù)置裂紋砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮全過程試驗，保持加載系統(tǒng)及聲發(fā)射系統(tǒng)同時啟動。

2.1 單軸壓縮過程中試樣力學(xué)特征分析

根據(jù)試驗結(jié)果繪制砂巖A～D試樣的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線，反映砂巖試樣在單軸壓縮下的變形演化特征，如圖3所示。試樣應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線可分為4個階段，即壓密階段、彈性階段、塑性階段和峰后階段。由圖3可知，預(yù)制裂紋對砂巖試樣的峰值應(yīng)力有較大影響。A試樣峰值應(yīng)力為74.49 MPa，B、C、D試樣的峰值應(yīng)力為48.78，54.18，51.21 MPa，對比可知含有預(yù)制裂紋將明顯降低砂巖試樣的峰值應(yīng)力，其中含有水平裂紋的砂巖試樣抗壓強度相對最低。

圖3 砂巖試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of sandstone specimen

1)壓密階段。試樣A在壓密階段，隨軸向應(yīng)力增加，試樣中原生微裂隙和孔隙或節(jié)理面被壓密發(fā)生閉合，軸向應(yīng)變逐漸增大至0.002左右；含預(yù)制裂紋的B、C、D試樣在壓密階段，試樣內(nèi)部微觀缺陷被壓實，裂紋周圍應(yīng)力集中，最大應(yīng)變約為0.003 6～0.007 5。相對無裂紋試樣，含預(yù)制裂紋試樣在壓密階段應(yīng)變較大。

2)彈性階段。4種試樣新裂紋產(chǎn)生極少，應(yīng)力應(yīng)變曲線基本一致，保持近似直線上升趨勢。

3)塑性階段。隨應(yīng)力增加，試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂紋，裂紋不斷擴展并產(chǎn)生不可逆的塑性變形。此時，應(yīng)力應(yīng)變曲線上升速率明顯下降，可將應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升速率下降點作為試樣發(fā)生塑性變形的前兆信號。

4)峰后階段。4種試樣產(chǎn)生宏觀斷裂，滑移面失穩(wěn)破壞。砂巖試樣加載破壞示意如圖4所示。

圖4 砂巖試樣破壞示意Fig.4 Schematic diagram for failure of sandstone specimens

2.2 單軸壓縮過程中聲發(fā)射振鈴數(shù)及能量分析

單軸壓縮下4種砂巖試樣聲發(fā)射振鈴與能量的計數(shù)、累積值以及應(yīng)力與時間曲線如圖5所示。由圖5可知，巖樣A～D在加載全過程中聲發(fā)射序列曲線均有良好的對應(yīng)性，包括平靜期、上升期、波動期3個階段：

圖5 砂巖試樣振鈴與能量的計數(shù)、累積值、主應(yīng)力與時間關(guān)系Fig.5 Relationship between ringing count,energy count,accumulated value,principal stress of sandstone specimens and time

1)平靜期階段。4種試樣在開始加載較長一段時間內(nèi)，聲發(fā)射計數(shù)很少，能量較為平穩(wěn)；在壓密階段后期，有少量聲發(fā)射事件激增點出現(xiàn)，此時聲發(fā)射能量曲線可明顯看到激增點；D試樣(即含45°預(yù)置裂紋試樣)激增現(xiàn)象相對比較明顯。

2)上升期階段。隨應(yīng)力增加，新的微裂隙不斷產(chǎn)生，聲發(fā)射信號由近似平穩(wěn)階段變?yōu)樵鲩L趨勢。C試樣砂巖即含90°裂紋砂巖應(yīng)力-時間曲線出現(xiàn)“跌落”現(xiàn)象，這是由于加載過程中試樣內(nèi)部產(chǎn)生新裂紋或者預(yù)制裂紋有一定擴展導(dǎo)致的。在應(yīng)力“跌落”時刻，聲發(fā)射計數(shù)出現(xiàn)瞬時突增，累計聲發(fā)射計數(shù)曲線斜率變大，能量曲線可看出“跌落”附近有較為密集的激增點。

3)波動期階段。試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞，破裂面之間發(fā)生摩擦、錯動，聲發(fā)射事件異?；钴S，聲發(fā)射信號進(jìn)入波動期，此時聲發(fā)射累積曲線快速上升，應(yīng)力接近峰值，各試件聲發(fā)射事件數(shù)達(dá)到峰值應(yīng)力前聲發(fā)射事件總數(shù)的2倍以上。

為避免試件力學(xué)性質(zhì)個體差異大，繪制4種試樣應(yīng)力比(試樣所受應(yīng)力在各自峰值應(yīng)力中的比值)與聲發(fā)射累積計數(shù)率(對應(yīng)聲發(fā)射振鈴累積值在總累計值中的比值)關(guān)系，如圖6所示。

圖6 試樣聲發(fā)射計數(shù)累積率與應(yīng)力比關(guān)系Fig.6 Relationship between AE count accumulation rate and stress ratio of specimens

根據(jù)圖5聲發(fā)射3階段應(yīng)力區(qū)間，找到圖6所對應(yīng)應(yīng)力比區(qū)間并進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，平靜期4種試樣應(yīng)力比約為0～0.1，A、B、C試樣在平靜期聲發(fā)射累積計數(shù)率約0.4%～1%，D試樣聲發(fā)射事件在平靜期積計數(shù)率約6.6%，可見45°預(yù)制裂紋在平靜期聲發(fā)射事件比其他試樣聲發(fā)射事件更為活躍，與前文描述一致。上升期B試樣應(yīng)力比為0.2～0.8，A、C、D試樣應(yīng)力比為0.2～0.9，且可明顯看出含預(yù)置裂紋的B、C、D試樣聲發(fā)射累積率比A試樣聲發(fā)射累積率更高。波動期即加速破壞階段，B試樣當(dāng)應(yīng)力比增長至0.8進(jìn)入波動期，A、C、D試樣當(dāng)應(yīng)力比增長至0.9時開始發(fā)生失穩(wěn)破壞，B試樣(即0°裂紋試樣)更早進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段。

2.3 單軸壓縮過程中聲發(fā)射RA值分析

聲發(fā)射參數(shù)RA值是指聲發(fā)射撞擊上升時間與幅度的比值[16-17]。文獻(xiàn)表明RA值高時對應(yīng)張拉裂紋，RA值低時對應(yīng)剪切裂紋。因此對試樣進(jìn)行比較，分析單軸壓縮條件下試樣的微觀破壞機制。繪制4種試樣主應(yīng)力-時間-聲發(fā)射RA值關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，4種試樣聲發(fā)射RA值隨應(yīng)力加載呈一定規(guī)律性。4種試樣整體聲發(fā)射RA值偏低，均在6 ms/dB以下；加載初期以低RA值為主，波動較大，隨后保持穩(wěn)定，僅在試樣主破裂發(fā)生前后有高RA值出現(xiàn)。其中，不同角度預(yù)制裂紋對于聲發(fā)射RA值分布有一定影響：0°裂紋與原試樣對比，低RA值所占比重更高；90°裂紋試樣加載初期低RA值分布與原試樣基本一致，破壞前后所出現(xiàn)的高RA值占比較大；45°裂紋試樣與原試樣基本保持一致。

圖7 試樣主應(yīng)力-時間-聲發(fā)射RA值關(guān)系Fig.7 Relationship between principal stress,time and AE RA value of specimens

因此，4種試樣破壞類型總體以剪切裂紋為主，當(dāng)試樣內(nèi)部的局部應(yīng)力超過試樣承載力之后，試樣內(nèi)部發(fā)生剪切破壞，隨應(yīng)力持續(xù)增加，試樣內(nèi)部剪切裂紋大量出現(xiàn)，并在應(yīng)力峰值前后出現(xiàn)少量張拉裂紋；隨原生裂紋與預(yù)置裂紋的擴展貫通，產(chǎn)生宏觀破裂面，最終試樣發(fā)生破壞。0°裂紋試樣主要為剪切破壞，90°裂紋試樣相對于其他試樣張拉裂紋所占比例更大，45°裂紋與原試樣破壞類型基本一致，以拉剪復(fù)合裂紋為主。

3 結(jié)論

1)預(yù)制裂紋試件與無裂紋試件相比，存在明顯的4個變形階段，裂紋的存在會明顯降低砂巖的峰值應(yīng)力，壓密階段含預(yù)置裂紋砂巖試樣應(yīng)變更大，塑性變形階段試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線上升速率明顯下降。

2)相對于無裂紋試樣，含預(yù)制裂紋試樣其聲發(fā)射信號略有不同，含預(yù)制裂紋的聲發(fā)射信號較原試樣更為活躍；平靜期45°裂紋試樣聲發(fā)射事件更為活躍，振鈴累計率相對最高；聲發(fā)射信號波動期對應(yīng)試樣失穩(wěn)破壞階段，0°裂紋試樣最早進(jìn)入該階段。

3)裂紋角度的不同直接影響試樣破壞形式，通過分析RA值可知，0°裂紋試樣低RA值占比大，90°裂紋試樣高RA值占比大；在同等載荷條件下，可用聲發(fā)射信號RA值的演化判斷巖石材料中裂紋方向與荷載方向的關(guān)系。