高應(yīng)力狀態(tài)下大理巖受異源擾動(dòng)聲發(fā)射響應(yīng)研究 ①

范海崢

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,福建 永安 366000)

0 引 言

在隧洞掘進(jìn)開(kāi)采過(guò)程中，各類(lèi)工程施工都對(duì)圍巖具有擾動(dòng)作用，在頻繁的異源擾動(dòng)作用下，易誘發(fā)臨空面的巖體失穩(wěn)破壞[1-4]，為探究異源擾動(dòng)下巖石的力學(xué)特性，當(dāng)前許多研究者利用改進(jìn)的霍普金森桿，對(duì)巖樣進(jìn)行外部沖擊試驗(yàn)：李夕兵等[5-8]和宮鳳強(qiáng)等[9]對(duì)巖樣進(jìn)行一維外部沖擊，發(fā)現(xiàn)沖擊荷載會(huì)加快巖石劣化速度；而后金解放等[10]又對(duì)比了一維與三維沖擊下巖樣破壞模式，發(fā)現(xiàn)巖樣一維與三維狀態(tài)下的破壞模式并不相同；王春等[11]同樣進(jìn)行了三維擾動(dòng)試驗(yàn)，將擾動(dòng)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線劃為四個(gè)階段。以上都是從應(yīng)力-應(yīng)變曲線或宏觀破壞模式角度分析得出結(jié)論，為得出更深層準(zhǔn)確的規(guī)律，王其勝等[12]與萬(wàn)國(guó)香等[13]對(duì)巖石進(jìn)行了帶聲發(fā)射的擾動(dòng)試驗(yàn)，得出聲發(fā)射數(shù)值大小與巖樣受沖擊后的破壞程度相關(guān)，李帥等[14]利用聲發(fā)射檢測(cè)不同硬度巖樣受擾動(dòng)時(shí)聲發(fā)射表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)相同應(yīng)變階段下低強(qiáng)度砂巖比高強(qiáng)度花崗巖損傷大。以上大多數(shù)試驗(yàn)都是錘擊擾動(dòng)試驗(yàn)，但在實(shí)際工況中持續(xù)性、周期性的異源擾動(dòng)卻常有發(fā)生，為讓試驗(yàn)更貼近實(shí)際工程狀態(tài)，試驗(yàn)輔以聲發(fā)射對(duì)大理巖進(jìn)行了不同單軸應(yīng)力與擾動(dòng)幅值下的正交試驗(yàn)，以探究異源擾動(dòng)下巖樣的變形與聲發(fā)射響應(yīng)。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

巖樣采用白色粗晶粒大理巖，為保證巖樣均勻性，所用巖樣均來(lái)自同一塊巖石相近區(qū)域。按國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)試驗(yàn)規(guī)程建議方法制定了巖樣。試驗(yàn)前，各巖樣均經(jīng)過(guò)波速測(cè)試，除波速異常試樣，保證試樣一致性。最終所選試樣如圖1所示。圖2為單軸壓縮條件下，大理巖軸向、環(huán)向全應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，為后續(xù)動(dòng)力擾動(dòng)試驗(yàn)中確定加載應(yīng)力上限提供依據(jù)。由圖2可知，巖樣峰值應(yīng)力50MPa，擴(kuò)容點(diǎn)在35MPa左右。

圖1 大理巖試樣圖

圖2 單軸下單調(diào)壓縮加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 試驗(yàn)方法

為探究在隧洞開(kāi)挖后不同屈服區(qū)對(duì)擾動(dòng)的敏感性，對(duì)加工好的標(biāo)準(zhǔn)大理巖試樣進(jìn)行“單軸加載+動(dòng)力擾動(dòng)”試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1所示。

整個(gè)試驗(yàn)應(yīng)力加載路徑如下：① 軸向加載速率保持500N/s使得軸向應(yīng)力達(dá)到預(yù)定值；② 保持軸向應(yīng)力恒定一段時(shí)間，使巖樣內(nèi)部應(yīng)力分布均勻；③ 隨后進(jìn)行擾動(dòng)頻率為5 Hz的異源擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察巖樣變形情況，如變形無(wú)太大變化，循環(huán)擾動(dòng)4500周期后停止擾動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)束，如巖樣變形速率一直很大，即擾動(dòng)到巖樣破壞為止。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 軸向應(yīng)變、聲發(fā)射能量—時(shí)間關(guān)系

表2 巖樣破壞情況及破壞時(shí)刻循環(huán)次數(shù)

圖3為部分單軸動(dòng)力擾動(dòng)下的軸向應(yīng)變、聲發(fā)射能量與時(shí)間曲線圖，由圖與表2可知：(1)隨著應(yīng)力上限與擾動(dòng)幅值的增大，擾動(dòng)破壞所需時(shí)間與次數(shù)也越來(lái)越短，說(shuō)明應(yīng)力上限與擾動(dòng)幅值的增大會(huì)大大縮減巖樣的壽命；(2)在未破壞巖樣中，擾動(dòng)階段聲發(fā)射能量信號(hào)并不強(qiáng)烈，而在應(yīng)力比80%與擾動(dòng)幅值10MPa下擾動(dòng)破壞的巖樣中，擾動(dòng)前中期也并未出現(xiàn)較大能量波動(dòng)，整個(gè)應(yīng)力加卸過(guò)程中，聲發(fā)射能量信號(hào)大多集中在靜力加載階段和破壞時(shí)刻，且破壞時(shí)聲發(fā)射能量呈現(xiàn)爆發(fā)增長(zhǎng)，數(shù)值上也比靜力加載段大很多。

(a) 70%,5MPa

2.2 殘余應(yīng)變、聲發(fā)射能量—循環(huán)次數(shù)關(guān)系

為進(jìn)一步研究殘余應(yīng)變與聲發(fā)射能量的關(guān)系，繪制了不同應(yīng)力比與不同幅值下的殘余應(yīng)變、聲發(fā)射能量、累積聲發(fā)射能量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)：(1)在未破壞巖樣中殘余應(yīng)變的變形階段只有衰減段和穩(wěn)定增長(zhǎng)段，在大多數(shù)快速破壞的巖樣中只有明顯的穩(wěn)定增長(zhǎng)段與非線性加速段；(2)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，累積聲發(fā)射能量曲線變化趨勢(shì)與殘余應(yīng)變變化趨勢(shì)相近；(3)累積能量在未破壞前大體上隨著應(yīng)力比的增大而減小，這是由于聲發(fā)射儀在記錄數(shù)據(jù)時(shí)由于破壞巖樣的全程數(shù)據(jù)量增加且前期與后期對(duì)比能量數(shù)偏小，被自動(dòng)過(guò)濾，故出現(xiàn)隨著應(yīng)力比的增大，聲發(fā)射能量累積量前期偏低，但當(dāng)應(yīng)力比相同時(shí)隨著擾動(dòng)幅值的增加，破壞巖樣中聲發(fā)射能量在破壞時(shí)增長(zhǎng)劇烈。

圖4 大理巖動(dòng)力擾動(dòng)試驗(yàn)殘余應(yīng)變、聲發(fā)射累積能量—循環(huán)次數(shù)曲線

3 巖樣破壞模式與聲發(fā)射定位分析

3.1 單軸壓縮破壞模式與聲發(fā)射定位分析

如圖5所示，為單軸壓縮下巖樣破壞圖與聲發(fā)射裂隙定位圖。

圖5 單軸壓縮下大理巖樣破壞模式與聲發(fā)射裂隙定位圖

從中可以看出，在單軸單調(diào)壓縮下大理巖樣破壞截面為典型的斜剪破壞模式，有明顯的一條宏觀剪切破裂面，巖樣破壞形態(tài)呈典型的脆性破壞特征。

3.2 高應(yīng)力下動(dòng)力擾動(dòng)破壞模式與聲發(fā)射定位分析

圖6給出了正交試驗(yàn)下，大理巖處于單軸高應(yīng)力條件下受循環(huán)動(dòng)力擾動(dòng)后的損傷破壞的最終形態(tài)圖與聲發(fā)射裂隙定位圖。

圖6 不同應(yīng)力上限與不同擾動(dòng)幅值下的大理巖巖樣破壞模式與聲發(fā)射裂隙定位圖

通過(guò)與單軸壓縮破壞模式的相互對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)：(1)單軸單調(diào)壓縮過(guò)程中，聲發(fā)射裂隙一開(kāi)始發(fā)展的區(qū)域便是剪切帶附近，且并未聚集在巖樣中心區(qū)域，這與受擾動(dòng)未破壞大理巖樣的裂隙主要聚集在巖樣中部區(qū)域具有相似性；(2)應(yīng)力比為70%與15MPa擾動(dòng)幅值組合時(shí)和應(yīng)力比為80%與5MPa擾動(dòng)幅值組合時(shí)的巖樣表面出現(xiàn)豎向細(xì)長(zhǎng)的淺部裂隙，說(shuō)明大理巖在高應(yīng)力作用下擾動(dòng)對(duì)巖樣中部區(qū)域損傷更大，促進(jìn)表面豎向裂隙發(fā)展；(3)高應(yīng)力比下受動(dòng)力擾動(dòng)破壞的大理巖巖樣破壞呈現(xiàn)劈裂破壞模式，且破壞塊體比較散碎，主破裂面斷口粗糙不平，巖樣表面以及斷口附近出現(xiàn)大量碎塊現(xiàn)象；(4)在應(yīng)力比值為90%，擾動(dòng)幅值為10MPa與15MPa的加載組合下，試驗(yàn)后巖樣幾乎呈現(xiàn)完全散碎狀破裂，且產(chǎn)生大量細(xì)沙型巖石粉末，無(wú)明顯斷面，聲發(fā)射裂隙定位圖上點(diǎn)位密集也觀察不出明顯的斷裂帶。

4 結(jié) 論

通過(guò)開(kāi)展大理巖在高應(yīng)力下的擾動(dòng)試驗(yàn)，分析了聲發(fā)射的響應(yīng)機(jī)制并利用聲發(fā)射定位探究了擾動(dòng)破壞機(jī)理，主要得到了以下結(jié)論：

(1)在超高應(yīng)力比軸向荷載和大幅值擾動(dòng)荷載共同作用下，動(dòng)力擾動(dòng)可加快高應(yīng)力狀態(tài)下的巖樣損傷進(jìn)程，大大縮短巖樣壽命。

(2)整個(gè)應(yīng)力加卸載過(guò)程中，聲發(fā)射能量信號(hào)大多集中在靜力加載階段和動(dòng)力擾動(dòng)階段的巖樣破壞時(shí)刻。

(3)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，累積聲發(fā)射能量曲線變化趨勢(shì)與殘余應(yīng)變變化趨勢(shì)相近。當(dāng)應(yīng)力比相同時(shí)，隨著擾動(dòng)幅值的增加，破壞巖樣中破壞時(shí)聲發(fā)射能量增長(zhǎng)越劇烈。

(4)在單軸擾動(dòng)過(guò)程中由聲發(fā)射裂隙定位圖可知，擾動(dòng)造成的損傷一般從中部與巖樣表面開(kāi)始，隨著應(yīng)力比和擾動(dòng)幅值的增大，兩者組合加載后衍生裂紋由巖樣的局部擴(kuò)展至整個(gè)巖樣，巖樣呈現(xiàn)劈裂破壞，散碎程度增大，脆性破壞特征逐漸減弱。