循環(huán)荷載下互層巖樣力學(xué)聲學(xué)特征試驗(yàn)

來興平，白 瑞，曹建濤，單鵬飛，方賢威，張旭東，劉伯偉

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

互層巖體作為一種強(qiáng)度差異較大的特殊不良地質(zhì)，因其非協(xié)調(diào)變形特征，已成為誘發(fā)煤礦開采、地下工程等領(lǐng)域中安全事故的因素之一。由于該類巖體的破壞機(jī)理及前兆特征與均質(zhì)巖體區(qū)別較大[1]，而深部煤巖體的特殊賦存結(jié)構(gòu)，在地應(yīng)力和多次采掘擾動(dòng)等循環(huán)荷載影響下，不可避免的對(duì)圍巖造成破壞，破壞后的圍巖承載能力下降，也為地下水的流動(dòng)提供了通道，此外水對(duì)圍巖造成了二次損傷，嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致支護(hù)難題。因此開展自然和飽水互層巖樣分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，研究其力學(xué)損傷特性及聲學(xué)前兆信息，對(duì)指導(dǎo)地下工程建設(shè)以及圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有積極意義。

目前，許多學(xué)者對(duì)復(fù)雜應(yīng)力路徑作用下煤巖的力學(xué)特性和損傷規(guī)律做了大量研究。SUN等分析了多級(jí)循環(huán)加載下砂巖損傷演化規(guī)律，并提出了一種巖石疲勞損傷演化模型[2]；蘇承東、尤明慶等對(duì)不同晶粒大理巖樣開展了單軸及三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，分析了巖石的變形與強(qiáng)度特征[3-4]；周家文等結(jié)合細(xì)觀力學(xué)，研究了向家壩砂巖單軸循環(huán)加卸載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值強(qiáng)度和斷裂損傷力學(xué)特性，并給出一種損傷變量計(jì)算方法[5]；來興平等對(duì)比分析了不同加載模式下煤樣損傷變形與聲發(fā)射特征[6]；李西蒙等建立了循環(huán)加卸載條件下應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)之間的理論模型，并推導(dǎo)了巖石損傷變量演化方程[7]。還有學(xué)者對(duì)自制互層巖樣進(jìn)行了室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，吳渤等基于物理模型和數(shù)值模擬試驗(yàn)，探討了互層傾角的變化對(duì)巖樣破壞形態(tài)的影響[8]；黃鋒等對(duì)比分析了單軸及三軸加載條件下圍壓、傾角、層厚比對(duì)互層巖樣破壞機(jī)理的影響[9]；儲(chǔ)超群等基于不同角度砂巖的聲發(fā)射單軸試驗(yàn)，研究了層狀砂巖各向異性、聲發(fā)射特性及裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律[10]。也有學(xué)者研究了不同含水狀態(tài)下巖石的力學(xué)行為變化特征和聲學(xué)破壞前兆，汪泓等分析了循環(huán)荷載下干燥與飽水砂巖的變形特征以及能量演化與分配情況[11]；單鵬飛等為了研究煤巖體內(nèi)部裂隙場的時(shí)空演化規(guī)律，建立了考慮區(qū)域地應(yīng)力作用下的裂隙煤巖流固耦合計(jì)算模型，初步揭示了裂隙煤巖的流固耦合特性[12-13]；郭佳奇等通過對(duì)自然及飽水狀態(tài)下的溶灰?guī)r開展了巖石力學(xué)試驗(yàn)，揭示了水力作用下巖石的水穩(wěn)定性及力學(xué)特性[14]；夏冬等分別對(duì)干燥和飽和條件下深部閃長巖進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，探討了2種含水狀態(tài)下巖石的力學(xué)聲學(xué)特征，提出一種巖石臨近發(fā)生破壞的判據(jù)[15]；王笑然等測試了自然和飽水煤樣加載過程中聲發(fā)射脈沖信號(hào)、能量及頻率隨應(yīng)力變化的差異性，總結(jié)了不同含水煤樣失穩(wěn)的前兆信息[16]；LAI等通過單軸加載下不同孔徑煤樣聲發(fā)射的波形頻譜特征分析了試塊在破裂階段的時(shí)頻特征和損傷破壞規(guī)律[17]；張廣輝等探究了多級(jí)應(yīng)變和應(yīng)力加載條件下強(qiáng)沖擊傾向性煤的損傷演化過程及以聲發(fā)射表征的破壞前兆[18]；李庶林等研究了增量循環(huán)加卸載下6種巖石的的Felicity比和加卸載響應(yīng)比的變化情況[19]；徐速超等研究了單軸循環(huán)加卸載作用下矽卡巖強(qiáng)度變化特征和費(fèi)拉西蒂效應(yīng)[20]；孫愛琴等利用三軸試驗(yàn)機(jī)并結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)研究了循環(huán)載荷作用下巖石內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展演化規(guī)律[21]。

以上研究大多獨(dú)立考慮了不同加載方式、互層結(jié)構(gòu)的存在以及不同含水狀態(tài)對(duì)巖石力學(xué)特性和聲學(xué)前兆的影響規(guī)律，而在實(shí)際工程問題中，這些因素往往是耦合作用導(dǎo)致巖石強(qiáng)度的劣化，綜合考慮循環(huán)載荷作用及不同含水狀態(tài)下的天然互層巖樣試驗(yàn)研究較少，故文中開展單軸循環(huán)荷載試驗(yàn)，分析2種含水狀態(tài)下互層巖樣的力學(xué)聲學(xué)特征，并以聲發(fā)射信號(hào)來反映試樣內(nèi)部損傷程度，可以為現(xiàn)場評(píng)價(jià)互層巖體的穩(wěn)定性以及掌握互層巖體的破壞規(guī)律提供理論支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.1 試樣特征與尺寸

本次試驗(yàn)所選取的是砂巖-灰?guī)r-砂巖天然互層巖樣，根據(jù)國標(biāo)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》，將其加工成φ50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，加工精度為兩端面不平行度≤0.05 mm，上下端直徑偏差≤0.3 mm，軸向偏斜角度≤0.25°，試樣表面光滑無缺陷，試樣互層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試樣互層結(jié)構(gòu)Fig.1 Specimen interbedded structure

根據(jù)試驗(yàn)需求，共加工10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，編號(hào)為R1～R10，試驗(yàn)前對(duì)其直徑、高度、波速等物理參數(shù)進(jìn)行測量，分組、編號(hào)及測量結(jié)果見表1。10個(gè)試樣分為2組，一組為5個(gè)自然狀態(tài)，將其放在底部有水的干燥器內(nèi)，試樣需高出水面20 mm，以保持一定的濕度；另一組為5個(gè)飽水狀態(tài)，將其放入盛水容器中，分3次加水，每次間隔2 h，直至水面高出試樣20 mm，浸泡48 h后取出試樣并擦干表面水分，用塑封袋包裝好后等待試驗(yàn)。

表1 試樣基礎(chǔ)物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of specimens

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與系統(tǒng)

本次試驗(yàn)在西安科技大學(xué)西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，加載設(shè)備使用深圳萬測HCT-605A型電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，可同時(shí)記錄載荷及位移值，最大試驗(yàn)力600 kN，準(zhǔn)確度等級(jí)0.5，滿足《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》精度要求；聲發(fā)射設(shè)備采用北京聲華SAEU2S多通道聲發(fā)射監(jiān)測儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測試樣在壓縮過程中的上升計(jì)數(shù)、幅度、能量等指標(biāo)；設(shè)置采樣頻率1 MHz，為排除噪聲影響，檢測參數(shù)門限設(shè)為40 dB，前放增益40 dB；試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Test system

試驗(yàn)開始前，為保證信息的無損采集，在傳感器和試樣之間涂一層凡士林作為耦合劑，將2個(gè)AE傳感器用橡皮筋固定在試樣中部，并將加載系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)的時(shí)間調(diào)整一致，開啟壓力機(jī)對(duì)試樣加載并同步采集全過程聲發(fā)射信號(hào)，直至試樣破壞，停止加載并保存數(shù)據(jù)。

1.3 試驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)

基于工程巖體的賦存環(huán)境和開采擾動(dòng)影響，本次試驗(yàn)分為2種加載方式：①單軸抗壓1次加載；②單軸循環(huán)加卸載。根據(jù)單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果，2次加載峰值增量約為單軸抗壓強(qiáng)度的20%，確保每個(gè)試樣循環(huán)4～5次后破壞，故確定自然試樣起始載荷為30 kN，循環(huán)梯度30 kN；飽水試樣起始載荷為9 kN，循環(huán)梯度9 kN。

2 互層巖樣的力學(xué)特征

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征分析

自然及飽水狀態(tài)下典型試樣單軸壓縮、循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 典型自然及飽水試樣應(yīng)力-應(yīng)變Fig.3 Stress-strain of typical natural and saturated specimens

1)從圖3(a)可以看出，單軸壓縮載荷下自然狀態(tài)試樣表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，到達(dá)峰值強(qiáng)度后試樣瞬間破壞，沒有承載能力，而飽水試樣峰后屈服階段明顯，峰值強(qiáng)度之后還存在一定的承載能力。對(duì)比圖3(b)、(c)可知，2種試樣在循環(huán)載荷作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前階段具有較好的相似性，但峰后破裂階段差異明顯。當(dāng)自然狀態(tài)試樣達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)，試樣突然發(fā)生破壞，具有典型的脆性特征；而飽水狀態(tài)試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后，其承載力隨變形增大逐漸下降，并沒有立即破壞，其外部宏觀裂隙快速發(fā)育并沿縱向方向貫通，且裂隙多分布在互層結(jié)構(gòu)接觸面附近，說明互層結(jié)構(gòu)的存在對(duì)巖樣強(qiáng)度影響顯著。

2)蔡美峰等認(rèn)為全應(yīng)力-應(yīng)變曲線圍成的面積可以從峰值強(qiáng)度點(diǎn)分為2部分，左半部分表示存儲(chǔ)在試樣中的應(yīng)變能，右半部分表示試樣破壞時(shí)消耗的能量[22-23]。自然試樣峰值強(qiáng)度前存儲(chǔ)的能量在峰值點(diǎn)處以動(dòng)能形式瞬間釋放，破碎的巖塊及巖粉彈射現(xiàn)象明顯并伴隨動(dòng)力聲響；而飽水試樣在屈服階段微裂隙持續(xù)發(fā)育，峰后能量逐漸釋放，試樣破壞后仍保持完整狀態(tài)，表明水會(huì)改變巖石的破壞程度，承載巖石破壞的本質(zhì)是能量的集聚-耗散-釋放，含水巖樣其三者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系發(fā)生改變，宏觀表現(xiàn)為水能弱化巖體，故工程尺度常用注水軟化的方法來防治沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害[24-26]。

3)如圖3(b)、(c)局部放大部分所示，2種試樣在各個(gè)卸載階段均出現(xiàn)了應(yīng)力基本不變而應(yīng)變突然減小的現(xiàn)象，且?guī)缀醢l(fā)生在同一應(yīng)力下，具有彈性后效的特征。

2.2 強(qiáng)度變化特征分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，獲得了單軸載荷下自然試樣平均峰值強(qiáng)度為78.80 MPa，飽水試樣平均峰值強(qiáng)度為21.92 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度作為循環(huán)加卸載試驗(yàn)參考值，對(duì)2種不同含水狀態(tài)試樣開展循環(huán)加卸載試驗(yàn)。2種加載方式下試樣力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 試樣力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of specimens

從表2可以看出，自然狀態(tài)下試樣循環(huán)加卸載平均強(qiáng)度較1次加載平均強(qiáng)度值低14.52 MPa，降幅為18.43%；在循環(huán)載荷下，飽水試樣較自然試樣強(qiáng)度低38.69 MPa，降幅60.19%，循環(huán)加卸載和水的耦合作用對(duì)互層試樣強(qiáng)度劣化明顯，這與互層試樣的組成成分密切相關(guān)，試樣中間夾層灰?guī)r的主要成分為碳酸鈣，而碳酸鈣又易溶于含有二氧化碳的水中，在試樣飽水過程中，含二氧化碳的水分子進(jìn)入灰?guī)r孔隙內(nèi)部造成部分碳酸鈣成分溶蝕；同時(shí)，自然狀態(tài)下的互層巖樣，礦物顆粒緊密連接，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，相同應(yīng)力下能承受較強(qiáng)的外部荷載而不發(fā)生破壞。隨著試樣含水程度增大，尤其是飽和狀態(tài)下滲透水不斷進(jìn)入孔隙對(duì)孔隙壁和封閉孔隙產(chǎn)生潤滑和貫通作用，水巖耦合作用引起內(nèi)部孔隙數(shù)量、尺寸增大及礦物流失，軟化效應(yīng)明顯，導(dǎo)致溶蝕深度和水巖接觸面積增大，加劇了夾層中灰?guī)r的損傷劣化程度，隨著載荷增加，裂隙擴(kuò)展迅速并形成破壞裂紋，進(jìn)而發(fā)生宏觀破壞，最終表現(xiàn)為試樣強(qiáng)度明顯降低。

2.3 變形模量特征分析

彈性模量是反映巖石材料剛度的重要性能參數(shù)，從圖3可以看出，在整個(gè)加卸載過程中，試樣的彈性模量是動(dòng)態(tài)變化的，采用每個(gè)循環(huán)的加、卸載階段近直線段的斜率計(jì)算加卸載變形模量。經(jīng)計(jì)算，自然與飽水試樣的加卸載平均變形模量分別為6.571,7.927，3.646,4.858 GPa，自然與飽水試樣的平均模量相比，自然試樣的加、卸載模量更大，表明飽水后由于水的作用導(dǎo)致試樣剛度降低。

如圖4所示，自然和飽水試樣變形模量變化細(xì)節(jié)有所不同，但總體表現(xiàn)為隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大的趨勢(shì)。尤其是在第2次加載過程中，變形模量上升顯著，試樣剛度迅速變大，在后續(xù)的循環(huán)加載過程中，變形模量依然增大但增速變緩。造成上述現(xiàn)象的主要原因是，在第1個(gè)循環(huán)加載過程中，互層試樣內(nèi)部原生裂隙不斷被壓實(shí)，微裂隙大量閉合；再次卸載時(shí)，少部分被壓密裂隙開始恢復(fù)，但仍有大部分裂隙不能恢復(fù)，造成試樣整體剛度有所增加，因此，在第2次加載時(shí)彈模增幅較大。在之后的加卸載過程中，隨循環(huán)應(yīng)力水平的提高，兩互層的變形趨于協(xié)調(diào)，試樣越來越接近彈性體，變形模量逐漸增加并保持穩(wěn)定。

圖4 循環(huán)加卸載平均模量-循環(huán)次數(shù)Fig.4 Cyclic loading-unloading average modulus-cycle number

2.4 破壞特征分析

不同加載方式必定造成不同的破壞模式，不同加載方式下2種含水狀態(tài)試樣的典型破壞照片，如圖5所示。

圖5 典型互層試樣破壞模式Fig.5 Failure modes of typical interbedded specimens

從圖5可以看出，在單軸1次加載條件下兩試樣的破壞模式主要表現(xiàn)為貫通劈裂剪切型破壞，其內(nèi)部存在貫穿層理面的豎向張拉裂紋，同時(shí)橫向裂紋在灰?guī)r中發(fā)育明顯；在循環(huán)載荷作用下兩試樣表現(xiàn)為拉-剪混合破壞，其內(nèi)部不僅存在貫通的豎向張拉裂紋，還有貫通灰?guī)r層的單斜面傾斜狀剪切裂紋。通過觀察統(tǒng)計(jì)不同長度裂紋的數(shù)量，方便對(duì)試樣破壞程度作定量化描述，典型試樣裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 典型試樣破壞后裂紋統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistic of post failure cracks in typical specimens

根據(jù)不同裂紋長度及條數(shù)計(jì)算每個(gè)試樣的平均裂紋長度，對(duì)比4個(gè)典型試樣破壞裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，自然狀態(tài)試樣的平均裂紋長度普遍高于飽水試樣，單次加載的試樣平均裂紋長度普遍高于循環(huán)加卸載下的試樣，故在工程實(shí)踐中，對(duì)于不同的條件下的工程巖體應(yīng)采取不同的預(yù)防措施，也可根據(jù)破壞模式的不同提出巖體的原位改性方法，如通過注水或爆破的循環(huán)載荷作用對(duì)巖體提前軟化，對(duì)于防治圍巖破壞導(dǎo)致的安全事故意義重大。

3 互層巖樣的聲學(xué)特征

3.1 基于聲發(fā)射參數(shù)的巖樣損傷分析

RUDAJEV等對(duì)聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行長期研究后，認(rèn)為上升計(jì)數(shù)和能量能夠較好地反映巖石內(nèi)部的損傷破壞[27]。因此，主要選用上升計(jì)數(shù)和累積能量對(duì)互層試樣損傷特性進(jìn)行定量化描述，定義巖石內(nèi)部微元強(qiáng)度損傷變量為D[28-29]。

(1)

(2)

式中Nt為加載時(shí)間為t時(shí)累計(jì)上升計(jì)數(shù)，個(gè)；Et為加載時(shí)間為t時(shí)累積能量，mv·us；N0為試樣完全破壞時(shí)累計(jì)聲發(fā)射上升計(jì)數(shù)，個(gè)；E0為試樣完全破壞時(shí)累積能量，mv·us；DN為加載至t時(shí)刻時(shí)聲發(fā)射上升計(jì)數(shù)表征的損傷變量值，%；DE為加載至t時(shí)刻時(shí)聲發(fā)射能量表征的損傷變量值，%。

飽水及自然試樣在循環(huán)加載下的應(yīng)力、上升計(jì)數(shù)、損傷與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示。飽水試樣聲發(fā)射事件數(shù)明顯少于自然試樣，這是因?yàn)樗謱?duì)聲發(fā)射信號(hào)的吸收作用，且大部分為低振幅事件(40～45 dB)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，自然試樣低振幅事件占總事件的89.48%，飽水試樣占比為81.42%，但在試樣破壞前，兩試樣均出現(xiàn)了較多的高振幅事件。

圖6 應(yīng)力、上升計(jì)數(shù)、損傷變量隨時(shí)間演化Fig.6 Evolution of stress，rise count and damage variables with time

3.2 循環(huán)載荷下互層巖樣破壞前兆特征

從圖6可以看出，以聲發(fā)射上升計(jì)數(shù)和能量表征的試樣損傷有較好的同步性，但在細(xì)節(jié)上有所差別。自然試樣的損傷曲線幾乎呈線性增長，只在低應(yīng)力“卸載-再加載”階段出現(xiàn)了短暫的“臺(tái)階”平靜期，此期間試樣的損傷幾乎不增加。而在高應(yīng)力條件下，卸載階段仍然對(duì)試樣造成不可逆損傷，故高應(yīng)力環(huán)境是巖石發(fā)生損傷的主導(dǎo)因素之一；飽水試樣的損傷曲線離散程度較大，但總體趨勢(shì)一致，較自然狀態(tài)試樣，飽水試樣的“臺(tái)階”平靜期持續(xù)時(shí)間更長，而在平靜期過后，試樣的損傷持續(xù)增加直至破壞。

基于以上認(rèn)識(shí)，可將試樣破壞前出現(xiàn)的“臺(tái)階”平靜期和高振幅事件現(xiàn)象作為實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場工程中互層巖樣的破壞前兆特征，從圖6可以看出，兩試樣在破壞前的最后一次“臺(tái)階”平靜期所對(duì)應(yīng)的損傷約為70%，此后隨載荷的增加，高振幅事件持續(xù)增加，最終試樣發(fā)生破壞，故將損傷達(dá)到70%作為互層試樣破裂失穩(wěn)的前兆預(yù)警值，可為工程巖體災(zāi)變預(yù)警提供理論參考。

4 結(jié) 論

1)不同加載方式、不同含水狀態(tài)均對(duì)互層試樣強(qiáng)度有劣化作用。較單軸加載，自然狀態(tài)試樣在循環(huán)載荷作用下強(qiáng)度降低了18.43%；而在同一加載條件下，單軸加載飽水試樣較自然試樣強(qiáng)度劣化了72.18%，同樣在循環(huán)載荷下飽水試樣較自然試樣強(qiáng)度降低了60.19%。

2)互層試樣的平均模量隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且隨循環(huán)應(yīng)力的提高，軟硬互層的變形趨于協(xié)調(diào)，加卸載平均模量增速變慢并逐漸穩(wěn)定。不同加載方式下試樣的破壞模式有所差異，自然試樣破壞后平均裂紋長度普遍高于飽水試樣，單軸壓縮載荷下的試樣破壞后平均裂紋長度普遍高于循環(huán)載荷作用下的平均裂紋長度。

3)通過監(jiān)測聲發(fā)射信號(hào)，發(fā)現(xiàn)飽水試樣聲發(fā)射事件數(shù)明顯少于自然試樣；以聲發(fā)射信號(hào)表征的損傷曲線，兩試樣在“卸載-再加載”時(shí)均出現(xiàn)了短暫的“臺(tái)階”平靜期，而飽水試樣較自然試樣“臺(tái)階”平靜期持續(xù)時(shí)間更長，兩試樣最后一次出現(xiàn)“臺(tái)階”平靜期時(shí)所對(duì)應(yīng)的損傷約為70%，可將該值視為互層試樣破裂失穩(wěn)的前兆預(yù)警，對(duì)工程巖體災(zāi)害預(yù)報(bào)有一定的指導(dǎo)意義。