不同墊塊包圍角度下砂巖劈裂聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究

許 曉 通，魯 鯤 鵬，周 瑜，吳 道 勇

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州大學(xué) 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

巖體承受一定的荷載后，即可在體積、形狀或宏觀連續(xù)性方面發(fā)生某種變化，一方面表現(xiàn)為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形的變化；另一方面其應(yīng)力狀態(tài)也將隨之不斷調(diào)整，并引起彈性能的積存和釋放等效應(yīng)[1]。巖體內(nèi)部積存的部分能量以應(yīng)力波的方式突然釋放出來(lái)的現(xiàn)象，稱之為聲發(fā)射。1963年，Goodman[2]通過(guò)對(duì)砂巖和石英巖進(jìn)行循環(huán)加卸載壓縮實(shí)驗(yàn)，首次證實(shí)巖石中存在Kaiser效應(yīng)，利用聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)可以較為準(zhǔn)確地測(cè)出巖石歷史應(yīng)力分布，同時(shí)具有操作簡(jiǎn)便、不受試驗(yàn)場(chǎng)地限制、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且可通過(guò)大量測(cè)試來(lái)解決數(shù)據(jù)的離散性問(wèn)題[3]。因此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者陸續(xù)嘗試采用該方法進(jìn)行原巖和復(fù)合材料Kaiser效應(yīng)驗(yàn)證的研究和探索，主要圍繞Kaiser效應(yīng)的有效性及其存在的范圍、時(shí)間效應(yīng)及應(yīng)變率等方面展開(kāi)研究，不同的研究者得出了不同的、甚至相反的結(jié)論，但有些基本結(jié)論還是明確的。

基于巖石材料線彈性和均勻性的假設(shè)及二維彈性理論，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)建議巴西劈裂試驗(yàn)的試樣厚度應(yīng)近似等于半徑[4]，即厚徑比(T/D)為0.5。在中國(guó)巖石試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，T/D在0.5～1.0之間[5-6]。

對(duì)于加載方法，ISRM建議通過(guò)兩個(gè)鋼制加載卡爪與圓盤形巖石試樣接觸來(lái)施加荷載，并且爪的半徑為試樣半徑的1.5倍[4]。Jaeger等[7]認(rèn)為通過(guò)在機(jī)器與試樣之間平面加載區(qū)域插入碎木片可避免剪切破壞。文獻(xiàn)[5-6]建議，在許多情況下，兩個(gè)直徑為1 mm的鋼絲應(yīng)用于堅(jiān)硬巖石試樣的加載，兩個(gè)碎木片或膠木應(yīng)用于軟巖。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一種能夠消除加載點(diǎn)應(yīng)力集中的扁平巴西圓盤[8-10]。然而，一些實(shí)驗(yàn)表明，由于加工過(guò)程中很難保證試樣的幾何精度，因此對(duì)試樣尺寸的要求不實(shí)用。Yu等[11]采用兩個(gè)與試樣完全接觸的弧角為20°的特殊墊塊替代兩根鋼筋，有效解決了加載點(diǎn)附近的應(yīng)力集中的問(wèn)題。然而，對(duì)于不同包圍度數(shù)條件下的巖石聲發(fā)射特征分析鮮有研究。高文根等[12]采用PFC數(shù)值軟件研究了周期荷載應(yīng)力水平對(duì)煤樣聲發(fā)射特征的影響，提出了聲發(fā)射比率的概念。張伯虎等[13]通過(guò)振動(dòng)理論和間接拉伸條件下聲發(fā)射試驗(yàn)分析花崗巖損傷演化過(guò)程，并通過(guò)分形理論以及聲發(fā)射信號(hào)的主頻和能量分布特征來(lái)獲得拉伸破壞機(jī)理。楊東輝等[14]對(duì)細(xì)砂巖試樣開(kāi)展了單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，獲得了巖石脆性破裂失穩(wěn)臨界應(yīng)力特征?？涤衩返萚15]通過(guò)對(duì)不同配筋率和不同壁厚鋼管混凝土柱進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，對(duì)比分析了各試件破壞全過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)特征。

本文以砂巖作為研究對(duì)象，根據(jù)試樣尺寸設(shè)計(jì)3種不同弧角的墊塊進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載劈裂試驗(yàn)，對(duì)比分析不同包圍度數(shù)條件下的砂巖聲發(fā)射特性，并在此基礎(chǔ)上，研究了聲發(fā)射b值的演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試樣加工

以重慶中梁山某采石場(chǎng)的砂巖為研究對(duì)象。所選巖樣位于淺表地層，從工程地質(zhì)角度可以忽略其初始應(yīng)力，或者說(shuō)比在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試程序中施加的應(yīng)力小得多。在地質(zhì)歷史中起作用的應(yīng)力不能被忽視，但應(yīng)力記憶和Kaiser效應(yīng)會(huì)隨著時(shí)間的推移而消失，因此，在試驗(yàn)過(guò)程中不考慮初始應(yīng)力對(duì)試樣的影響。試樣密度2.32 g/cm3，直徑D=175 mm，厚度T=30 mm。試樣T/D約為0.17，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5-6]推薦的厚徑比(0.5

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)儀器為WAW-1000型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集試驗(yàn)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制試驗(yàn)的全過(guò)程，可以對(duì)負(fù)荷值、位移值、變形值、試驗(yàn)速度以及試驗(yàn)曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，可適應(yīng)不同材料需求的加載速率。聲發(fā)射儀為美國(guó)物理聲學(xué)公司的DISP系列2通道PCI-2全數(shù)字化聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)設(shè)定聲發(fā)射儀的門檻值為45 dB，聲發(fā)射探頭為NANO-30，諧振頻率為125～750 kHz，采樣頻率為106s-1，采用100～400 kHz的帶通濾波。

1.3 試驗(yàn)方案

考慮到圓盤試樣尺寸的特殊性，采取3對(duì)30 mm厚的鋼制墊塊分別放置于加載試樣的受壓部位，包圍度數(shù)α分別為10°，30°，60°，外部尺寸分別為57 mm×30 mm×13 mm，92 mm×30 mm×16 mm，115 mm×30 mm×23 mm，如圖1所示。本次試驗(yàn)共制作了9個(gè)巖樣，根據(jù)包圍度數(shù)不同分為3組，對(duì)應(yīng)巖樣上分別標(biāo)有大寫(xiě)英文字母：A-60°、B-30°、C-10°。

6個(gè)聲發(fā)射探頭分別放置在試樣兩側(cè)，如圖2所示。為了便于連接，探頭均勻分布于試樣靠近中部的位置。為消除試驗(yàn)過(guò)程中試樣與探頭間由于膠帶粘貼時(shí)的松弛，在試樣的兩側(cè)提前貼好彈性膠帶，端部和加載裝置間涂抹專用減摩劑，聲發(fā)射探頭與試樣間涂抹真空硅脂。

采取位移控制的方式，加載速率為1.0 mm/min。以砂巖圓盤的任一方向?yàn)槌跏技虞d方向循環(huán)加卸載3次，每次達(dá)到目標(biāo)值后保持荷載60 s以加強(qiáng)砂巖對(duì)荷載的記憶性。根據(jù)不同包圍度數(shù)下的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第一次加載至峰值荷載的0.4，目的是賦予巖石試樣一個(gè)初始應(yīng)力；第2次加載至峰值荷載的0.6倍左右，主要是判斷是否產(chǎn)生Kaiser效應(yīng)；第3次加載至試樣破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試樣峰值強(qiáng)度與破壞類型

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析，得到不同墊塊包圍度數(shù)下的平均峰值強(qiáng)度關(guān)系對(duì)比曲線，如圖3所示。隨著墊片包圍度數(shù)的增加，平均峰值強(qiáng)度逐漸增加；在包圍度數(shù)為10°時(shí)，試樣峰值強(qiáng)度分布最為穩(wěn)定。

受墊片包圍度數(shù)的影響，裂紋的起裂點(diǎn)和裂紋擴(kuò)展特征表現(xiàn)出明顯的差異。結(jié)合圖4試樣破壞類型，當(dāng)包圍度數(shù)為10°時(shí)，起裂點(diǎn)位于試樣中部(見(jiàn)圖4(a))。由于砂巖為脆性巖石，且試樣與墊塊接觸面積較小，達(dá)到峰值強(qiáng)度后瞬間破壞的模式與劈裂近似，主要表現(xiàn)為沿荷載所在直徑方向破壞，同時(shí)，受墊片端部約束的影響，形成局部的次級(jí)裂紋。當(dāng)包圍度數(shù)為30°時(shí)，試樣與墊片接觸面積增大，使得荷載分散于巖樣直徑附近較大范圍內(nèi)。試樣表現(xiàn)出一定的屈服性，試樣兩端起裂點(diǎn)不在一條線上，一端位于試樣中部，另一端位于試樣與墊片接觸部位的端部，破壞類型為沿荷載直徑附近的“Z”字型破壞，且在試樣與墊片接觸部位產(chǎn)生次一級(jí)的裂紋(見(jiàn)圖4(b))。當(dāng)包圍度數(shù)為60°時(shí)，兩者接觸面積進(jìn)一步增大。試樣破壞表現(xiàn)出明顯的屈服性，起裂點(diǎn)由試樣中部轉(zhuǎn)移到試樣與墊片接觸部位端部，破壞類型為沿端部產(chǎn)生破壞(見(jiàn)圖4(c))。

2.2 試樣聲發(fā)射特性分析

由于試驗(yàn)過(guò)程中人為及天然的不確定性，往往會(huì)產(chǎn)生一些質(zhì)量較差數(shù)據(jù)，為此可通過(guò)參考前人研究成果篩選出較為合理的數(shù)據(jù)。由于每個(gè)聲發(fā)射探頭位置不一樣，有的可能會(huì)在試驗(yàn)過(guò)程中伴隨試樣的局部破壞而失效，如圖5所示。通過(guò)對(duì)各完好通道聲發(fā)射探頭采集數(shù)據(jù)的研究分析，發(fā)現(xiàn)它們圖形較為一致。因此，本文選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好的典型試樣的任一完好通道探頭聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。

如圖6所示，第1次循環(huán)加卸載過(guò)程中，均可明顯看到時(shí)間-荷載曲線上鋸齒形的突變現(xiàn)象。此現(xiàn)象主要是加載初期試樣內(nèi)部原有裂紋的閉合導(dǎo)致細(xì)微變形產(chǎn)生瞬間卸荷造成的，但隨著裂紋的閉合，荷載轉(zhuǎn)而繼續(xù)回升。在第2次循環(huán)加載過(guò)程中，當(dāng)荷載接近第一次循環(huán)目標(biāo)荷載時(shí)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率、累計(jì)計(jì)數(shù)、累計(jì)能量計(jì)數(shù)急劇增加，即為Kaiser效應(yīng)點(diǎn)，如圖6藍(lán)點(diǎn)處所示。由聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線可知，聲發(fā)射活動(dòng)主要集中在加載過(guò)程中，在保載及卸載過(guò)程聲發(fā)射振鈴產(chǎn)生較少，這與試樣與墊片接觸面積較小，使得荷載集中于巖樣直徑附近很小范圍內(nèi)，試樣內(nèi)部緩沖的力較為局限有關(guān)。隨著墊片包圍度數(shù)的增加，試樣內(nèi)部緩沖的力增加，在保載過(guò)程也產(chǎn)生聲發(fā)射活動(dòng)；達(dá)到峰值強(qiáng)度前，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率劇烈增加，并在臨界破壞階段出現(xiàn)最大值；此過(guò)程為聲發(fā)射劇烈期，主要是因?yàn)樵嚇觾?nèi)部裂紋交匯貫通，形成宏觀裂紋。累計(jì)計(jì)數(shù)和累計(jì)能量計(jì)數(shù)與荷載一致，表現(xiàn)為逐級(jí)增加，當(dāng)達(dá)到各級(jí)循環(huán)的目標(biāo)荷載時(shí)，兩者也達(dá)到最大值。在保載和卸載過(guò)程中，表現(xiàn)為水平階梯，表明在此期間聲發(fā)射活動(dòng)處于相對(duì)平靜期。如圖7所示，隨著墊片包圍角度的增大，試樣的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)、累計(jì)能量計(jì)數(shù)逐漸增加。

2.3 單軸循環(huán)加卸載聲發(fā)射b值分析

對(duì)b值的研究起始于地震，Gutenberg和Richter提出了地震震級(jí)與頻度間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，也稱G-R關(guān)系式[17]：

lgN=a-bM

(1)

式中：M為地震震級(jí)，N為一個(gè)震級(jí)中大于M的計(jì)數(shù)；α，b為常數(shù)。

在巖石的聲發(fā)射試驗(yàn)中，b值為表示試樣宏微觀裂隙擴(kuò)展尺度的函數(shù)，其動(dòng)態(tài)變化特征具有直接的物理意義[18]。然而在巖石的試驗(yàn)過(guò)程中，通常將巖樣聲發(fā)射的峰值振幅代替震級(jí)M[19-22]：

(2)

式中：AdB為聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的幅值。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于b值的相關(guān)研究成果[19-25]，聲發(fā)射b值隨時(shí)間的變化揭示了不同荷載階段巖石內(nèi)部的應(yīng)力變化及裂紋擴(kuò)展規(guī)律。因此，本文通過(guò)將時(shí)間等分為10組，對(duì)每組時(shí)間段的幅值以5 dB為步距進(jìn)行分組并統(tǒng)計(jì)各個(gè)幅值范圍峰值振鈴計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)振幅作為AdB，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)作為N，之后采用最小二乘法計(jì)算得到該時(shí)間段的b值。圖8為循環(huán)加卸載過(guò)程中典型的聲發(fā)射幅值分布圖。聲發(fā)射信號(hào)的幅值多集中在45～65 dB范圍內(nèi)，如圖8(b)所示。

圖9為不同墊塊包圍度數(shù)下試樣的聲發(fā)射b值隨著3次循環(huán)加卸載過(guò)程中的加載、保載和卸載的b值變化的情況，從中可以得出試樣內(nèi)部宏微觀裂隙的持續(xù)變化情況。隨著墊片包圍度數(shù)的增加，b值演化規(guī)律相對(duì)較為一致。

第1次循環(huán)階段，加載過(guò)程中初始b值隨著荷載的增加逐漸增大，說(shuō)明試樣內(nèi)部以小尺度微破裂為主，主要表現(xiàn)為試樣原有張開(kāi)裂隙的壓密閉合和局部新裂紋的產(chǎn)生，而后在小范圍內(nèi)逐漸變化，說(shuō)明試樣內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生及閉合處于穩(wěn)定發(fā)展過(guò)程。保載和卸載過(guò)程中，b值主要表現(xiàn)為接連發(fā)生躍遷，且躍遷幅度逐漸增大，體現(xiàn)為試樣內(nèi)部的微破裂狀態(tài)發(fā)生突然的變化，小尺度微裂紋增加，同時(shí)，說(shuō)明試樣已進(jìn)入不穩(wěn)定的破裂發(fā)展階段，即使應(yīng)力保持不變，試樣內(nèi)部微裂紋仍不斷地產(chǎn)生。在卸載過(guò)程中，b值達(dá)到最大值，隨后減小，說(shuō)明試樣內(nèi)部微破裂由小尺度轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叨绕屏选?/p>

第2次循環(huán)階段，加載過(guò)程中初始b值發(fā)生躍遷，而后逐級(jí)減小，說(shuō)明試樣首先以小尺度的微破裂為主，隨著應(yīng)力超過(guò)第1次循環(huán)的最大荷載，由小尺度轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟪叨绕屏?。保載和卸載過(guò)程中，b值在一定范圍內(nèi)逐漸變化，說(shuō)明在此階段荷載并未達(dá)到試樣的峰值強(qiáng)度，試樣始終處于不穩(wěn)定的破裂發(fā)展階段。

第3次循環(huán)階段，加載過(guò)程與第2次循環(huán)階段一致，加載初期，b值逐漸增加，以小尺度為破裂為主，當(dāng)荷載超過(guò)第2次循環(huán)最大荷載時(shí)，b值逐級(jí)減小，試樣內(nèi)部大尺度微破裂比重逐漸增加，當(dāng)荷載達(dá)到試樣的峰值強(qiáng)度時(shí)，b值突然躍遷，試樣破壞，停止產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。然而，隨著墊片包圍角度的增大，在卸載階段仍有b值，這是因?yàn)樯皫r試樣的破壞由突發(fā)式的劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ㄇ缘膹?fù)雜破壞。

3 結(jié) 論

(1) 單軸循環(huán)加卸載過(guò)程中，墊片包圍度數(shù)的增加對(duì)Kaiser效應(yīng)幾乎不產(chǎn)生影響，累計(jì)計(jì)數(shù)、累計(jì)能量計(jì)數(shù)、峰值強(qiáng)度明顯提高。

(2) 隨著包圍度數(shù)的增加，試樣破壞過(guò)程逐漸復(fù)雜化，表明合理的包圍度數(shù)是相當(dāng)重要的。較小的包圍度數(shù)可以降低荷載點(diǎn)的應(yīng)力集中，利于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集分析，而較大的包圍度數(shù)反而會(huì)影響荷載在試樣上的均勻性和垂直分布。

(3) 在整個(gè)循環(huán)加卸載過(guò)程中，不同包圍度數(shù)下砂巖聲發(fā)射b值隨時(shí)間變化的規(guī)律總體一致，不同荷載階段試樣內(nèi)部損傷的程度不同，b值呈現(xiàn)出一定的演化規(guī)律。峰值b值隨著墊片包圍度數(shù)的增加有增大的趨勢(shì)。加載過(guò)程中，b值先增大，而后在小范圍內(nèi)逐漸變化呈減小的趨勢(shì)，隨著墊片包圍角度的增大，這種趨勢(shì)更為明顯，說(shuō)明試樣在此過(guò)程中以小尺度破壞為主，而后大尺度的微破裂比重增大。保載和卸載過(guò)程中，b值主要表現(xiàn)為接連發(fā)生躍遷，且躍遷幅度逐漸增大，說(shuō)明試樣在第1次循環(huán)階段的加載過(guò)程就已進(jìn)入不穩(wěn)定的破裂發(fā)展階段。

本文研究驗(yàn)證了墊片包圍度數(shù)的變化對(duì)砂巖聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)不產(chǎn)生影響，分析了砂巖聲發(fā)射b值的演化規(guī)律，可為研究巖石破裂過(guò)程提供一定幫助。但是本文僅分析了單軸循環(huán)加卸載條件下砂巖圓盤試樣b值隨其破壞過(guò)程的演化規(guī)律，對(duì)于不同加載方式、不同巖性巖石及其所處環(huán)境溫度、濕度以及內(nèi)部可能含有宏觀裂隙等復(fù)雜情況是否適用，還需進(jìn)一步開(kāi)展研究工作。