循環(huán)剪切加載后鋸齒狀巖石節(jié)理聲發(fā)射特性研究

通過對(duì)經(jīng)歷不同程度先期循環(huán)加載后的巖石節(jié)理試樣進(jìn)行直剪聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，探究聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)在巖石節(jié)理破壞預(yù)警上的應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明，聲發(fā)射技術(shù)具有足夠的精度監(jiān)測(cè)巖石節(jié)理剪切破壞過程，聲發(fā)射事件陡增和聲發(fā)射b值降低都具有一定程度的巖石節(jié)理破壞預(yù)警的能力。先期循環(huán)加載會(huì)導(dǎo)致試樣產(chǎn)生不同程度的聲發(fā)射記憶效應(yīng)，聲發(fā)射記憶效應(yīng)會(huì)使采用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行受先期循環(huán)加載后的巖石節(jié)理破壞監(jiān)測(cè)的預(yù)警窗口變短。

巖石節(jié)理； 聲發(fā)射； 邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警

TU459+.2 A

［定稿日期］2022-03-03

［作者簡(jiǎn)介］劉堯輝（1993—），男，碩士，助理工程師，主要從事道路工程檢測(cè)、監(jiān)測(cè)工作。

西部地區(qū)的鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐日益加快，由于地形地質(zhì)條件的影響，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中產(chǎn)生了大量的邊坡工程，尤其是復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖質(zhì)邊坡。這些巖石邊坡內(nèi)部存在許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)面，如裂縫、節(jié)理、軟弱夾層等，極大的降低邊坡巖體的力學(xué)性能，對(duì)在役邊坡工程的穩(wěn)定性造成巨大影響，帶來一系列安全隱患［1］。同時(shí)由于營(yíng)運(yùn)過程中高速列車、重型汽車的高頻次重復(fù)交通荷載的影響下，這些預(yù)先存在軟弱層面的邊坡巖土體產(chǎn)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此深入了解這些含軟弱層面的巖質(zhì)邊坡在循環(huán)荷載作用下的損傷演化以及探索合理的監(jiān)測(cè)預(yù)警手段進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警，對(duì)于減輕滑坡災(zāi)害造成的財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡迫在眉睫。然而現(xiàn)有的邊坡監(jiān)測(cè)手段監(jiān)測(cè)預(yù)警準(zhǔn)確度卻十分有限，因此有必要探索更為有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于邊坡監(jiān)測(cè)中。

聲發(fā)射（AE）技術(shù)被認(rèn)為適用于土木工程中混凝土結(jié)構(gòu)和巖石結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測(cè)，該技術(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)和全面的監(jiān)視，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的運(yùn)行［2］。在巖土工程領(lǐng)域，聲發(fā)射（AE）可以作為滑坡等破壞事件被動(dòng)監(jiān)測(cè)，可以監(jiān)測(cè)材料內(nèi)部裂紋的萌生、擴(kuò)展和合并時(shí)產(chǎn)生的彈性波，通過對(duì)監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行參數(shù)、波形分析，可以據(jù)此評(píng)估聲發(fā)射源的破壞特征［5］，該技術(shù)是對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的補(bǔ)充，為理解巖土材料受荷漸進(jìn)破壞過程和建立潛在的破壞預(yù)警系統(tǒng)帶來了巨大的希望。

1 試驗(yàn)條件

1.1 樣品制備

試驗(yàn)所用完整巖石樣品通過采集天然砂巖所得，試驗(yàn)巖石樣品采用高壓水射流（DWJ1525型）切割采集的完整砂巖來制備鋸齒狀巖石節(jié)理樣品。綜合考慮加載設(shè)備以及測(cè)試條件，確定試樣尺寸為160 mm×120 mm×50 mm（長(zhǎng)×高×寬）；用Auto-CAD設(shè)計(jì)試樣輪廓尺寸，再采用高壓水流切割采集的天然砂巖鋸齒狀巖石節(jié)理試樣。試樣幾何尺寸及成品效果如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

直剪試驗(yàn)加載設(shè)備采用重慶大學(xué)WDAJ-600型微機(jī)控制電液伺服巖石剪切流變?cè)囼?yàn)機(jī)，通過美國(guó)物理聲學(xué)公司DS2聲發(fā)射儀進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行初步信號(hào)分析，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。根據(jù)先期試驗(yàn)結(jié)果，圖1所示的鋸齒狀巖石節(jié)理平均峰值剪應(yīng)力為4.62 MPa，在此基礎(chǔ)上采用1.0 kN/s的加載速率條件分別對(duì)3組鋸齒狀巖石節(jié)理試樣開展0次、100次循環(huán)加載幅值為0.5倍峰值剪應(yīng)力的先期循環(huán)剪切以及100次循環(huán)加載幅值為0.8倍峰值剪應(yīng)力的先期循環(huán)剪切，以獲取經(jīng)歷不同先期循環(huán)加載損傷的鋸齒狀巖石節(jié)理試樣。隨后以0.5 mm/min的加載速率對(duì)3組試樣進(jìn)行常規(guī)直剪試驗(yàn)，在常規(guī)直剪試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 巖石節(jié)理剪切破壞聲發(fā)射特性

圖3展示了3種破壞模式下巖石節(jié)理試樣受不同程度先期循環(huán)加載后直接剪切剪應(yīng)力-時(shí)間、聲發(fā)射能量-時(shí)間曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鋸齒狀巖石節(jié)理在實(shí)驗(yàn)過程中由于滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生了幾乎貫穿整個(gè)加載過程大致相同能量的聲發(fā)射事件，并且這些由于滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生聲發(fā)射事件似乎受先期循環(huán)加載的影響，經(jīng)歷先期循環(huán)加載后的試樣在殘余階段聲發(fā)射能量波動(dòng)更為平緩。聲發(fā)射能量變化趨勢(shì)與剪應(yīng)力變化趨勢(shì)呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，不同先期循環(huán)加載的3種巖石節(jié)理試樣的聲發(fā)射能量演化大致呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，即逐漸增加、能量峰值、劇烈跌落和趨于平靜，最大聲發(fā)射能量峰值均出現(xiàn)在剪應(yīng)力峰值附近，這表明以上特征為鋸齒狀巖石節(jié)理樣品剪切破壞的普遍的聲發(fā)射釋放規(guī)律，同時(shí)在剪應(yīng)力曲線小幅度跌落時(shí)往往能觀察到小型的聲發(fā)射能量爆發(fā)，其能量低于峰值剪應(yīng)力時(shí)的聲發(fā)射能量峰值，這可能是由于試樣滑動(dòng)過程中鋸齒結(jié)構(gòu)面上某些小型粗糙點(diǎn)剪壞所導(dǎo)致的，這一現(xiàn)象表明聲發(fā)射技術(shù)具有足夠的精度監(jiān)測(cè)鋸齒狀巖石節(jié)理剪切破壞過程。略有不同的是先期循環(huán)加載似乎導(dǎo)致巖石節(jié)理試樣破壞更為劇烈，2個(gè)經(jīng)歷先期循環(huán)加載的試樣聲發(fā)射峰值能量分別為35 734.7 mV·mS、11 346.17 mV·mS，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過未經(jīng)循環(huán)加載試樣的聲發(fā)射峰值能量61 048.47 mV·mS。

圖3 不同先期循環(huán)加載后巖石節(jié)理

剪應(yīng)力-時(shí)間、聲發(fā)射能量-時(shí)間曲線

先期循環(huán)加載明顯使節(jié)理在巖石直剪試驗(yàn)過程中產(chǎn)生了不同水平的聲發(fā)射記憶效應(yīng)，并且聲發(fā)射記憶效應(yīng)隨循環(huán)損傷的增加表現(xiàn)的更為明顯，對(duì)于未經(jīng)先期循環(huán)剪切的試驗(yàn)，直剪過程一開始便能檢測(cè)到聲發(fā)射現(xiàn)象。不同的是0.5倍峰值剪應(yīng)力循環(huán)剪切100次試樣，表現(xiàn)出一定程度的聲發(fā)射記憶效應(yīng)，剪切試驗(yàn)初期無法監(jiān)測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)，只有剪應(yīng)力達(dá)到一定的水平時(shí)才能監(jiān)測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)。隨著先期循環(huán)加載幅值提高，試樣聲發(fā)射記憶效應(yīng)表現(xiàn)的更加明顯，對(duì)于0.8倍峰值剪應(yīng)力循環(huán)剪切100次試樣在應(yīng)力峰值前幾乎無法監(jiān)測(cè)到明顯的聲發(fā)射信號(hào)。以上結(jié)果表明，對(duì)于經(jīng)歷先期循環(huán)加載的試樣，隨著循環(huán)損傷程度不斷增加，試樣聲發(fā)射記憶效應(yīng)水平不斷提高，當(dāng)先期循環(huán)損傷積累到一定程度后，試樣只有在接近剪應(yīng)力峰值處才能再次監(jiān)測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)。因此如果將通常用于預(yù)警完整巖石試樣破壞的聲發(fā)射信號(hào)陡增現(xiàn)象將難以應(yīng)用于受先期循環(huán)加載的鋸齒狀巖石節(jié)理試樣受荷破壞的監(jiān)測(cè)預(yù)警中，需要進(jìn)一步提取更精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警判據(jù)。

2.2 直剪試驗(yàn)過程中巖石節(jié)理聲發(fā)射b值特性

在以往巖石材料的聲發(fā)射研究中表明在地震領(lǐng)域廣泛運(yùn)用的b值具有預(yù)測(cè)巖石脆性破壞的能力［3］，b值由式2-1給出，該公式描述了地震活動(dòng)中小振幅事件和大振幅事件的相對(duì)比例［4］。

lgN=a-bM（1）

圖4顯示3種巖石節(jié)理試樣直剪聲發(fā)射b值的時(shí)間演化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鋸齒狀巖石節(jié)理試樣剪切破壞全過程的聲發(fā)射b值曲線和剪應(yīng)力曲線同樣呈現(xiàn)出良好的相關(guān)性，3種試樣的b值曲線均存在階段性特征，第一階段為加載初期，聲發(fā)射b值處于較高的水平，未經(jīng)先期循環(huán)加載的試樣以及以0.5倍峰值剪應(yīng)力循環(huán)加載100次的試樣在2.0～2.3的范圍內(nèi)，以0.8倍峰值剪應(yīng)力循環(huán)加載100次的試樣則在1.9左右，這一現(xiàn)象表明加載初期聲發(fā)射信號(hào)中大振幅事件的比例相對(duì)較低，監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射事件大部分是由試樣微裂紋成核、擴(kuò)展所產(chǎn)生的。隨著加載進(jìn)行，聲發(fā)射b值進(jìn)入第二階段，試樣聲發(fā)射b值隨剪應(yīng)力增加降低，在峰值剪應(yīng)力附近，聲發(fā)射b出現(xiàn)極小值，說明隨著加載的進(jìn)一步進(jìn)行，各試樣加載過程中監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射大振幅事件的比例逐漸增加，同時(shí)盡管第二階段聲發(fā)射b值具有相同的演化規(guī)律，但是b值降低的速率存在不同，表現(xiàn)為先期損傷程度越明顯，直剪試驗(yàn)中聲發(fā)射b值跌落速率越快，大振幅事件增加速率越快，這表明加載過程中試樣內(nèi)部裂紋逐漸貫通，直到峰值剪應(yīng)力時(shí)試樣發(fā)生脆性破壞，也一步說明先期循環(huán)加載將導(dǎo)致巖石節(jié)理試樣剪切破壞表現(xiàn)的更為劇烈。隨后聲發(fā)射b值曲線進(jìn)入第三階段，即剪切曲線進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段，在這一階段同時(shí)存在試樣沿節(jié)理面滑動(dòng)，破壞后產(chǎn)生的小型粗糙體剪壞等破壞模式，聲發(fā)射事件產(chǎn)生機(jī)制復(fù)雜，3種試樣聲發(fā)射b值存在一定的差異，但是總體上看殘余強(qiáng)度階段聲發(fā)射b值波動(dòng)趨于平緩，出0.5倍峰值剪應(yīng)力循環(huán)加載100次試樣，其余試樣的b值逐漸恢復(fù)至第一階段水平。

與聲發(fā)射能量釋放規(guī)律一樣，先期循環(huán)加載不會(huì)影響試樣聲發(fā)射b值曲線和剪應(yīng)力曲線直剪的相關(guān)性，但是由于先前循環(huán)加載所產(chǎn)生的聲發(fā)射記憶效應(yīng)，導(dǎo)致試樣在第一段的聲發(fā)射事件數(shù)量大幅減少，擬合的b值數(shù)據(jù)點(diǎn)同樣顯著減少，如圖4（c）所示，對(duì)于0.8倍峰值剪應(yīng)力循環(huán)加載100次后的

試樣，直剪試樣過程通過聲發(fā)射數(shù)據(jù)擬合的b值僅有3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表現(xiàn)出上述第一階段的特性，隨后聲發(fā)射b值急速降低，這一現(xiàn)象表明若采用聲發(fā)射b值進(jìn)行受循環(huán)荷載后的鋸齒狀巖石節(jié)理破壞監(jiān)測(cè)預(yù)警，隨著循環(huán)損傷程度不斷增加，預(yù)警窗口將變得很短。

3 結(jié)論

聲發(fā)射技術(shù)具有足夠的精度監(jiān)測(cè)巖石節(jié)理剪切破壞過程，巖石節(jié)理剪切破壞力學(xué)行為和聲發(fā)射釋放規(guī)律具有良好的相關(guān)性。先期循環(huán)加載會(huì)導(dǎo)致巖石節(jié)理試樣剪切破壞表現(xiàn)的更為劇烈，同時(shí)使試樣產(chǎn)生不同程度的聲發(fā)射記憶效應(yīng)，但不會(huì)影響巖石節(jié)理剪切破壞力學(xué)行為和聲發(fā)射釋放規(guī)律的相關(guān)性。聲發(fā)射事件陡增和聲發(fā)射b值降低都具有一定程度的巖石節(jié)理破壞預(yù)警的能力，但是對(duì)于經(jīng)歷先期循環(huán)加載的試樣來說，由于聲發(fā)射記憶效應(yīng)的影響，采用聲發(fā)射進(jìn)行受循環(huán)荷載后的鋸齒狀巖石節(jié)理破壞監(jiān)測(cè)預(yù)警，隨著循環(huán)損傷程度不斷增加，預(yù)警窗口將變得很短。

參考文獻(xiàn)

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