基于聲發(fā)射特性的單軸壓縮泥巖損傷演化規(guī)律研究

王傳洋　霍亮

摘 要：作為最主要的蓋層，泥巖在漫長的地質(zhì)年代中經(jīng)歷了多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動，賦存在一定的應(yīng)力環(huán)境中，其內(nèi)部孕育了從微觀到細(xì)觀以及宏觀的各種尺度的缺陷。泥巖本身所具有的物理化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致了其特有的裂縫發(fā)育、擴(kuò)展和演化模式。選取鄂西-渝東地區(qū)志留系、侏羅系泥巖樣本進(jìn)行了單、三軸壓縮-聲發(fā)射試驗(yàn)，揭示了單軸壓縮過程中裂紋發(fā)展演化的過程，建立了單軸壓縮泥巖損傷模型，揭示了體積應(yīng)變和聲發(fā)射事件累積計數(shù)與巖石裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、演化的關(guān)系，對體應(yīng)變和聲發(fā)射曲線的特征變化進(jìn)行了解釋。

關(guān)鍵詞：泥巖;聲發(fā)射;損傷演化

中圖分類號：TD325? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）07-0104-03

0 引言

作為最主要的蓋層，泥巖本身所具有的特殊性質(zhì)導(dǎo)致了其特有的裂縫發(fā)育、擴(kuò)展和演化模式。泥巖蓋層是天然氣藏形成與保存的重要因素，其質(zhì)量好壞是評定保存條件的重要指標(biāo)，也是重點(diǎn)研究對象之一。在漫長的沉積、壓實(shí)、抬升剝蝕等地質(zhì)構(gòu)造作用下，泥巖的溫壓環(huán)境發(fā)生改變，進(jìn)而影響到其成熟度、物理化學(xué)性質(zhì)、完整性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，誘發(fā)裂縫發(fā)育擴(kuò)展，其封閉能力因此會受到極大影響。而天然氣的保存需要苛刻的封蓋條件，隨著其勘探開發(fā)步伐的不斷加快，蓋層密閉性越來越得到油氣地質(zhì)工作者的關(guān)注[1]。

實(shí)驗(yàn)觀察能夠?qū)崿F(xiàn)對不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石破壞過程中裂紋發(fā)展演化的追蹤檢測，聲發(fā)射法和CT掃描試驗(yàn)是其中較為代表性的兩種測試方法。早在1930年代美國礦山局的Obert應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)來評價礦山巖體穩(wěn)定性和巖爆的監(jiān)測預(yù)報[2]。Cox S J D[3]將巖石變形過程中的聲發(fā)射參數(shù)同巖石內(nèi)部微裂紋幾何尺寸聯(lián)系起來，探討了微裂紋的演化模式。左建平[4]等通過對單軸壓縮狀態(tài)下煤體、巖體和兩者組合的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究，揭示了試樣材料變形破環(huán)機(jī)制。趙興東[5]等研究了花崗巖在不同應(yīng)力階段的聲發(fā)射特征，指出巖石裂紋初始發(fā)展階段存在一定的“平靜期”。李浩然[6]等通過對鹽巖進(jìn)行單軸加載及循環(huán)荷載試驗(yàn)，按照5個階段分析了變形破壞特征及聲發(fā)射、聲發(fā)射活動規(guī)律。王云飛[7]等從損傷力學(xué)角度出發(fā)研究了煤巖損傷萌生、成核、擴(kuò)展和貫通的過程。

文章選取鄂西-渝東地區(qū)志留系、侏羅系泥巖樣本進(jìn)行了單、三軸壓縮-聲發(fā)射試驗(yàn)，揭示了單軸壓縮過程中裂紋發(fā)展演化的過程，建立了單軸壓縮泥巖損傷模型，揭示了體積應(yīng)變和聲發(fā)射事件累積計數(shù)與巖石裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、演化的關(guān)系，對體應(yīng)變和聲發(fā)射曲線的特征變化進(jìn)行了解釋。

1 單軸壓縮-聲發(fā)射監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

文章選擇龍馬溪組、沙溪廟組、桐竹園組樣品，依據(jù)《水利水電工程巖石實(shí)驗(yàn)規(guī)程（SL264-2001）》加工成標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣50 mm×100 mm。實(shí)驗(yàn)前采用D8型X射線衍射儀對各組試樣各組試樣進(jìn)行礦物組分分析。（各組試樣礦物成分如圖1所示）

實(shí)驗(yàn)是在RMT-150C控制電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)上完成，在試樣的側(cè)面布置聲發(fā)射傳感器（具體如圖2所示）。采用位移加載方式，加載速率0.005 mm/s，依次對各個組別的試樣進(jìn)行三組平行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中對于聲發(fā)射數(shù)據(jù)處理均采用累積聲發(fā)射事件計數(shù)作為裂紋發(fā)育擴(kuò)展的評價指標(biāo)（各個組別軸向應(yīng)力-應(yīng)變及累積聲發(fā)射事件計數(shù)-應(yīng)變結(jié)果對比圖分別如圖3、圖4、圖5所示）。

本組采集式樣結(jié)構(gòu)較為致密，從各個組別的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，整個破壞過程中峰值前變形幾乎是線性彈性的，峰值后變形較小，荷載急速下降。其中龍馬溪組巖石試樣破壞劇烈，有明顯的爆裂現(xiàn)象，炸裂聲清脆，這可能與其石英含量較高相關(guān);而沙溪廟組和桐竹園組試樣破壞時未見爆裂現(xiàn)象，炸裂聲沉悶。上述試樣均呈現(xiàn)剪切破壞和拉伸劈裂破壞的綜合形式。

綜合本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，聲發(fā)射曲線大致有以下兩種類型：

類型Ⅰ：在巖石試樣的初始壓密階段（峰值應(yīng)力的0%～30%），巖石材料內(nèi)部裂紋的萌生已開始進(jìn)行，原有微觀缺陷、微裂紋等在應(yīng)力作用下隨機(jī)發(fā)育，但由于受到同期壓縮荷載下的裂紋閉合效應(yīng)的抑制，裂紋活動相對并不活躍，聲發(fā)射信號弱，不易于被探頭檢測到;當(dāng)巖樣被加載到峰值應(yīng)力的30%～60%時，處于初始裂紋發(fā)展階段，裂紋萌生效應(yīng)和閉合效應(yīng)同時進(jìn)行，此時試樣處于穩(wěn)定承壓狀態(tài)，但聲發(fā)射事件明顯增多，AE曲線會出現(xiàn)一個小的跳躍，這是典型的Kaiser效應(yīng)的特征點(diǎn);隨著載荷的增加，達(dá)到峰值應(yīng)力的60%～80%時，試樣內(nèi)部裂紋迅速擴(kuò)展，此時聲發(fā)射事件計數(shù)呈現(xiàn)等階梯型跳躍;載荷達(dá)到峰值，巖樣內(nèi)部裂紋瞬間貫通，巖樣失穩(wěn)破壞，聲發(fā)射事件計數(shù)曲線隨之突變。整體來看，聲發(fā)射計數(shù)曲線非常好地響應(yīng)了巖石整個破壞過程。

類型Ⅱ：AE曲線初始階段近乎直線，與應(yīng)力應(yīng)變曲線同步，聲發(fā)射計數(shù)基本勻速增加;AE累計計數(shù)曲線未明顯出現(xiàn) Kaiser效應(yīng)特征點(diǎn)，說明聲發(fā)射事件計數(shù)始終維持在同一水平。這個現(xiàn)象表明，在外界載荷的作用下，應(yīng)力狀態(tài)的改變刺激了裂紋的發(fā)育;在彈性階段新裂紋產(chǎn)生直至巖石非穩(wěn)定破壞過程中裂紋的發(fā)育拓展呈現(xiàn)一種隨機(jī)的展布形態(tài)，產(chǎn)生的聲發(fā)射事件在時間上是均勻分布的，空間上是彌散分布的，此類聲發(fā)射事件屬于群震型，影響了聲發(fā)射事件計數(shù)對于巖石變形破壞過程的響應(yīng)。直到臨近破壞時，巖石裂紋貫穿進(jìn)而急劇釋放能量，引起了聲發(fā)射信號急劇增加。

部分樣品在初始壓密階段，聲發(fā)射曲線就會產(chǎn)生大的跳躍，發(fā)生這種現(xiàn)象是由樣品的內(nèi)部或外部含有缺陷所致（鄂西渝東泥巖內(nèi)部存在蟲洞孔洞等缺陷），泥巖樣品只能是純手工磨制，樣品加工不夠精細(xì)，導(dǎo)致聲發(fā)射計數(shù)在加載初期就出現(xiàn)跳躍是正?，F(xiàn)象。

2 單軸壓縮下基于聲發(fā)射特性的泥巖損傷模型

1980年代以來損傷力學(xué)得到了迅速發(fā)展，作為一門充滿潛力的新興學(xué)科，其成為了斷裂力學(xué)的重要發(fā)展和補(bǔ)充。Kachanov L M[10]首次提出用連續(xù)度的概念來描述材料的逐漸衰變，成為損傷研究出現(xiàn)的里程碑，自此科學(xué)家們采用連續(xù)變量來分析材料中復(fù)雜的、離散的衰壞過程;其后，Rabotnov Y N于1969年引入了損傷因子的概念。其理論基礎(chǔ)是經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和不可逆過程熱力學(xué)，研究對象是固體材料（以及結(jié)構(gòu)）在一定荷載與環(huán)境條件下?lián)p傷發(fā)展最后導(dǎo)致破壞的過程與規(guī)律。

Kachanov將損傷變量定義為：

式中Ad為承載斷面上微缺陷的所有面積，A為初始無損時的斷面面積。假定所有試驗(yàn)試樣初始狀態(tài)均為無損狀態(tài)，整個截面A完全破壞時的累積聲發(fā)射事件計數(shù)為B，則單位面積微元破壞時的聲發(fā)射事件計數(shù)Bv為：? ? ? ? ? ? ? ?當(dāng)斷面損傷面積達(dá)到Ad時聲發(fā)射事件累積計數(shù)Bd為：

所以有：

因此基于聲發(fā)射特性的損傷模型為：

根據(jù)公式（2-4）基于“歸一化”聲發(fā)射事件累積計數(shù)的損傷變量，利用公式（2-5）得出典型泥巖應(yīng)變–損傷關(guān)系如圖6所示。

從圖6可看出，各組泥巖典型的損傷變量-應(yīng)變曲線類型有所不同：

對于龍馬溪組泥巖，曲線大致可以分為3個階段：第一階段（應(yīng)變0～0.0075） 為初始損傷階段，此階段泥巖處于彈性變形階段，微裂紋的萌生及閉合作用相互抵消，損傷變量趨近于0，但應(yīng)力的變化會引起孔隙率變化，這會成為微裂紋發(fā)展的誘因;第二階段為應(yīng)變0.0075～0.009，損傷變量穩(wěn)定增大，為損傷穩(wěn)定演化和發(fā)展階段，此時微裂紋開始進(jìn)一步產(chǎn)生，少數(shù)微裂紋擴(kuò)展發(fā)育，匯集形成主裂紋;進(jìn)入第三階段后損傷變量急劇增加，此時對應(yīng)主裂紋的貫穿和微裂紋的繼續(xù)發(fā)育，能量得到迅速釋放，聲發(fā)射信號非常強(qiáng)烈，事件累積計數(shù)急劇增加直至試樣破壞。

沙溪廟組試樣也大致經(jīng)歷了相同過程，但其損傷曲線大致分為兩個階段：第一階段（應(yīng)變0～0.00936）時，損傷變量呈直線上升，說明試樣初始階段裂紋較為發(fā)育，且保持穩(wěn)定演化趨勢，說明并未有產(chǎn)生裂紋的貫穿歸并現(xiàn)象;進(jìn)入第二階段后，損傷變量同樣迅速增長，此時裂紋活動劇烈，能量釋放速率加快，主裂紋貫穿歸并，但可以看出后期損傷量增長減緩，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于該組泥巖本身承載力較低，屬于典型的軟巖，初始結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)存在大量微孔洞和裂隙，非肉眼可見。

桐竹園組泥巖和龍馬溪組泥巖整體過程十分相似，也可以分為三個階段：第一階段（應(yīng)變0～0.013），此階段泥巖處于彈性變形階段，可以發(fā)現(xiàn)損傷變量緩慢增長，說明存在裂紋活動;第二階段為應(yīng)變 0.013～0.017，損傷變量穩(wěn)定增大，為損傷穩(wěn)定演化和發(fā)展階段，此時微裂紋開始進(jìn)一步產(chǎn)生，少數(shù)微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育，為下一步歸并貫通奠定基礎(chǔ);進(jìn)入第三階段后損傷變量急劇增加，此時對應(yīng)主裂紋的貫穿和微裂紋的進(jìn)一步發(fā)育，能量得到迅速釋放，聲發(fā)射信號非常強(qiáng)烈，事件累積計數(shù)急劇增加直至試樣破壞。

根據(jù)圖7典型泥巖應(yīng)變–損傷關(guān)系曲線擬合得到各個組別單軸壓縮荷載作用下典型泥巖損傷演化方程分別為：

所以單軸壓縮荷載作用下典型泥巖損傷本構(gòu)模型為：

3 泥巖三軸壓縮-聲發(fā)射監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在XTR01 型微機(jī)控制電液伺服巖石三軸實(shí)驗(yàn)儀上完成（見圖8）。其主要技術(shù)指標(biāo)為：

軸向系統(tǒng)：最大軸向力2 000 kN，示值最大相對誤差<1%;最大位移100 mm，示值最大相對誤差<1%;軸向變形最大測量值5 mm，示值最大相對誤差<1%;徑向變形量2.5 mm，示值最大誤差<1%。側(cè)向系統(tǒng)：最大側(cè)向壓力100 MPa，測量精度<1%，適合尺寸φ 50～100 mm。

實(shí)驗(yàn)采用軸向位移控制，速率為0.3 mm/min，直至實(shí)驗(yàn)破壞。同時鑒于實(shí)驗(yàn)條件所限，針對性地對龍馬溪組試樣在實(shí)驗(yàn)過程中增加AE聲發(fā)射檢測，與以往聲發(fā)射檢測方式不同，此次聲發(fā)射傳感器直接固定在軸向壓頭裝置中（聲發(fā)射裝置預(yù)制在兩端壓頭內(nèi)部）經(jīng)過斷鉛測試，能達(dá)到靈敏度測試要求。三軸聲發(fā)射探頭圖9所示。

由于三軸聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)技術(shù)尚不成熟，實(shí)驗(yàn)期間成功率相對較低，因此我們選取如下樣本進(jìn)行分析（實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理如圖10所示）。

通過圖10可以看出，圍壓與泥巖的峰值應(yīng)力及殘余強(qiáng)度均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，說明圍壓效應(yīng)增強(qiáng)了材料的塑性及承載能力，同時使得剪脹現(xiàn)象滯后。通常來講，我們會通過聲發(fā)射監(jiān)測或者體積應(yīng)變拐點(diǎn)來確定三軸壓縮試驗(yàn)的起裂應(yīng)力。圍壓的提升引起體積應(yīng)變的拐點(diǎn)整體后移，說明圍壓效應(yīng)下裂紋的萌生效應(yīng)得到抑制，加上原有微裂紋的閉合效應(yīng)得以提高，從而一定程度上延長了巖石材料的穩(wěn)定承載階段。

偏應(yīng)力的增加使得原有平衡系統(tǒng)被打破，應(yīng)變能持續(xù)累積，刺激了微裂紋發(fā)育、擴(kuò)展，并逐步匯集為主裂紋匯集，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排布。隨著偏應(yīng)力進(jìn)一步增加，材料內(nèi)部主裂紋進(jìn)一步、匯集貫通，同期伴有大量新裂紋出現(xiàn)，宏觀破裂面瞬時形成，體積應(yīng)變曲線出現(xiàn)突變跳躍（龍馬溪組應(yīng)力-應(yīng)變及聲發(fā)射曲線如圖11所示）。

國內(nèi)三軸聲發(fā)射技術(shù)尚處于起步階段，探頭接收及處理信號手段尚不完善;加之泥巖材料離散性較大，實(shí)驗(yàn)針對性地選取了較為典型的聲發(fā)射數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析：通過圖11試驗(yàn)結(jié)果可以看出圍壓效應(yīng)下聲發(fā)射曲線突變點(diǎn)明顯后移，聲發(fā)射累計計數(shù)明顯減少，這意味著圍壓作用下巖石材料內(nèi)部顆粒的滑移潛勢弱化，微裂紋的萌生受到抑制，剪切破壞強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，殘余強(qiáng)度也得到提升，試驗(yàn)表現(xiàn)為巖石聲發(fā)射事件減少且突變點(diǎn)后移。

4 結(jié)語

巖石變形破壞過程中聲發(fā)射檢測的數(shù)據(jù)信息能夠反映泥巖內(nèi)部損傷破壞情況，較好的響應(yīng)了過程中內(nèi)部萌生、發(fā)育、擴(kuò)展、貫通等演化過程。加載初期，原始裂隙受應(yīng)力作用趨于閉合，聲發(fā)射活動較少，甚至沒有;隨著荷載的增加，應(yīng)變能得以累積，從而刺激裂紋發(fā)育，聲發(fā)射累積計數(shù)平穩(wěn)增加;繼續(xù)加載，微裂紋進(jìn)一步歸集貫通形成主裂紋，聲發(fā)射事件計數(shù)相應(yīng)激增;直至峰值荷載，裂紋瞬間完成貫通，形成宏觀破裂面，導(dǎo)致試樣破壞。

文章選取鄂西-渝東地區(qū)志留系、侏羅系泥巖樣本進(jìn)行了單、三軸壓縮-聲發(fā)射試驗(yàn)，揭示了單軸壓縮過程中裂紋發(fā)展演化的過程，同時基于累積聲發(fā)射事件計數(shù)的損傷變量，研究了單軸壓縮泥巖損傷演化曲線和方程;基于三軸-聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，揭示了由體積應(yīng)變和聲發(fā)射累積計數(shù)與巖石裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、演化的關(guān)系，對體應(yīng)變和聲發(fā)射曲線的特征變化進(jìn)行了解釋，為更好地了解受載巖體的損傷演化規(guī)律，進(jìn)一步評價泥巖蓋層密閉性奠定基礎(chǔ)。

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收稿日期：2022-03-29

作者簡介：王傳洋（1990—），男，山東泰安人，碩士研究生，工程師，研究方向：鐵路采空區(qū)勘察、巖石實(shí)驗(yàn)。