裂隙巖石應(yīng)力松弛特性及聲發(fā)射試驗

張默涵, 俞縉, 常旭, 劉士雨, 涂兵雄

(華僑大學(xué) 福建省隧道與城市地下空間工程技術(shù)研究中心, 福建 廈門 361021)

巖石的流變行為是工程領(lǐng)域中普遍存在的現(xiàn)象,通常發(fā)生在地下洞室、巷道及隧道.一般來說,流變行為包括蠕變和應(yīng)力松弛,應(yīng)力松弛對預(yù)測硐室圍巖的長期強度、評估地下洞穴的安全性和穩(wěn)定性,以及預(yù)防地下工程建設(shè)帶來的災(zāi)害等方面均起著重要影響[1-2],因此,開展巖石應(yīng)力松弛力學(xué)特性研究具有重要的理論和實踐意義.

目前,國內(nèi)外眾多學(xué)者對巖石的應(yīng)力松弛特性開展了大量的理論和試驗研究,唐禮忠等[3]發(fā)現(xiàn)在峰值荷載變形條件下,巖石的應(yīng)力松弛是間斷的、陣發(fā)式的;Tian等[4]發(fā)現(xiàn)與常規(guī)三軸試驗相比,松弛后砂巖的破壞強度降低;熊良宵等[5]發(fā)現(xiàn)應(yīng)力松弛曲線的臺階數(shù)與巖石完整性有著顯著的關(guān)系;Adoko等[6]將應(yīng)力松弛分為部分松弛、切向松弛和完全松弛3種類型;文獻[7-9]發(fā)現(xiàn)在較低應(yīng)變或是應(yīng)力條件下,巖石松弛曲線表現(xiàn)出非完全衰減型松弛特征,并提出了本構(gòu)模型描述松弛過程;劉志勇等[10]發(fā)現(xiàn)平行片理組和垂直片理組巖樣的應(yīng)力松弛曲線均可分為快速松弛、減速松弛和穩(wěn)定松弛3個階段;Yang等[11]發(fā)現(xiàn)預(yù)裂花崗巖的松弛行為高度依賴于單軸壓力值和圍壓;Zhu等[12]明確循環(huán)擾動后深部巖石的松弛特征;Yu等[13]發(fā)現(xiàn)循環(huán)微擾動松弛試驗中應(yīng)力松弛量隨應(yīng)變增大而增大.

上述研究主要針對完整巖石,而自然界中存在著大量帶有初始缺陷的裂隙巖石.與完整巖石相比,裂隙巖石的力學(xué)性質(zhì)有著很大的差異,而且裂隙巖石是在整個地質(zhì)歷史時期形成和存在的,經(jīng)受過各種復(fù)雜而不均衡的地質(zhì)作用,并最終賦存在一定的地質(zhì)環(huán)境中.因此,裂隙巖石的變形和強度特征要比完整巖石復(fù)雜的多,裂隙的存在可能會給地下洞室開挖、邊坡穩(wěn)定等工程帶來潛在的威脅,導(dǎo)致巖體工程的失穩(wěn)和破壞[14-18].目前,對裂隙巖石研究少量集中在蠕變方面[19-20],而對裂隙巖石應(yīng)力松弛特性的研究幾乎沒有,鑒于此,本文對裂隙巖石應(yīng)力松弛特性及聲發(fā)射試驗進行研究.

1 巖樣制備與試驗方法

1.1 巖樣加工

試驗巖石取自廣西省賀州市平桂區(qū)水井山礦區(qū)的白色大理巖石,其主要礦物成分為方解石(99%)、白云石,孔隙度約為1%,吸水率約為0.2%.通過取芯、切割、磨削等,將大理巖加工成直徑為50 mm、高為100 mm、上、下端面不平整度小于0.05 mm的圓柱體(巖樣),巖樣的平均質(zhì)量為527.9 g.為減小離散性,對顏色均勻、表面無明顯裂紋的巖樣進行波速測試,測得波速為3 188.43～3 566.96 m·s-1.挑選出波速相近的巖樣,用線切割機對選取的巖樣進行裂隙加工,得到長為20 mm、厚為1.5 mm、深度完全貫通、傾角為30°,45°,60°,75°裂隙大理巖樣.加工后的裂隙大理巖樣,如圖1所示.

圖1 加工后的裂隙大理巖樣Fig.1 Fractured marble samples after processing

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用的三軸試驗系統(tǒng)是由吉林省長春市科意試驗儀器有限公司與華僑大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的TFD-2000/D型巖石動態(tài)擾動伺服三軸試驗系統(tǒng).軸向壓力負載由伺服油源控制,負載值由電腦控制系統(tǒng)設(shè)定,最大負載為2 000 kN.聲發(fā)射系統(tǒng)采用DS5-16B型全信息聲發(fā)射儀,該系統(tǒng)可以自動讀取、存儲聲發(fā)射信號,對試樣聲發(fā)射進行全過程實時監(jiān)測.

1.3 試驗方案及步驟

對傾角為30°,45°,60°,75°的裂隙巖石進行單軸壓縮試驗,巖石力學(xué)參數(shù),如表1所示.表1中：α為傾角;σ1,max為軸向峰值應(yīng)力;ε1,max為軸向峰值應(yīng)變;E為彈性模量.

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Tab.1 Rock mechanical parameters

采用0.05 mm·min-1的軸向變形速率控制方式進行加載,直至破壞.軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖,如圖2所示.圖2中：σ1為軸向應(yīng)力;ε1為軸向應(yīng)變.

圖2 軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Curves of axial stress-strain

應(yīng)變水平劃分示意圖,如圖3所示.

圖3 應(yīng)變水平劃分示意圖Fig.3 Division of strain level

單軸逐級加載應(yīng)力松弛聲發(fā)射試驗有3個步驟： 1) 采用0.05 mm·min-1的軸向變形速率的控制方式使巖石試樣的軸向應(yīng)變達到預(yù)設(shè)值,并進行應(yīng)力松弛;2) 當軸向變形速率小于0.001 MPa·s-1時,即認為軸向應(yīng)變所產(chǎn)生的應(yīng)力松弛已基本趨于穩(wěn)定,可以停止應(yīng)變加載;3) 按同樣加載模式,使巖石進入下一級應(yīng)變,并進行應(yīng)力松弛,重復(fù)上述步驟,直至巖石破壞.松弛加載示意圖,如圖4所示.圖4中：ε1,1,ε1,2,ε1,3分別為3個不同的應(yīng)變水平;Δt為松弛持續(xù)時間.

圖4 松弛加載示意圖Fig.4 Relaxation loading

在上述試驗過程中,同步進行聲發(fā)射監(jiān)測,分別在上、下端每隔90°布置1個聲發(fā)射通道,共8個.聲發(fā)射通道示意圖,如圖5所示.圖5中：聲發(fā)射門檻值設(shè)置為40 dB;采樣頻率為2 MHz.

圖5 聲發(fā)射通道示意圖Fig.5 Acoustic emission channel

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 軸向應(yīng)力-應(yīng)變

分別對傾角為30°,45°,60°,75°裂隙巖石和完整巖石進行逐級加載應(yīng)力松弛試驗,逐級加載下軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖6所示.由圖6可知：裂隙巖石峰值軸向應(yīng)力明顯小于完整巖石,且隨著傾角的增大,峰值軸向應(yīng)力也隨之增大.經(jīng)過應(yīng)力松弛后,完整巖石和裂隙巖石的重新加載段曲線并沒有沿著原來的路徑上升,而是與應(yīng)力松弛曲線有一定角度的偏離.

圖6 逐級加載下軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Curves of axial stress-strain under step loading

由于逐級加載,前期的加載歷史會對巖石試樣的力學(xué)性質(zhì)造成影響,因此,采用Boltzmann疊加原理將逐級加載應(yīng)力松弛試驗曲線轉(zhuǎn)化為不同應(yīng)變下的單級加載應(yīng)力松弛曲線.單級加載下的軸向應(yīng)力松弛曲線,如圖7所示.

(a) 完整巖石

由圖7可知：完整巖石、裂隙巖石軸向應(yīng)力松弛曲線有著相似的形態(tài),即使處于峰前、峰后階段的不同應(yīng)變水平之下,應(yīng)力松弛曲線的形態(tài)基本保持一致,即巖石進入松弛階段后,軸向應(yīng)力隨著時間的增加先迅速減小,隨后軸向應(yīng)力跌落平緩,最終逐漸趨于穩(wěn)定.

由此,將軸向應(yīng)力松弛曲線分為兩個階段,即快速松弛階段和慢速松弛階段.快速松弛階段的持續(xù)時間較短,軸向應(yīng)力快速跌落,應(yīng)力松弛量具有顯著的時間效應(yīng).慢速松弛階段持續(xù)時間較長,軸向應(yīng)力緩慢減小,軸向應(yīng)力與時間的關(guān)聯(lián)性較小,軸向應(yīng)力最終趨于某一恒定值.

2.2 應(yīng)力松弛度

為了表示應(yīng)力松弛狀態(tài)的軸向應(yīng)力衰減損失的程度,定義應(yīng)力松弛度λ[9]為

λ=σi/σ0=(σ0-σr,i)/σ0.

式中：σ0為應(yīng)力松弛開始時的初始軸向應(yīng)力;σr,i為應(yīng)力松弛開始第i時刻的軸向應(yīng)力.

由定義可知,應(yīng)力松弛度越大,松弛穩(wěn)定后,軸向應(yīng)力衰減損失的程度也就越大.

應(yīng)力松弛度與應(yīng)變水平關(guān)系圖,如圖8所示.由圖8可知以下3點結(jié)論.

圖8 應(yīng)力松弛度與應(yīng)變水平關(guān)系圖Fig.8 Relationship between stress relaxation degree and strain levels

1) 除傾角為30°,75°裂隙巖石應(yīng)力松弛度分別在200%ε1,max,160%ε1,max處發(fā)生突增外,完整巖石和裂隙巖石的應(yīng)力松弛度總體上均隨著軸向應(yīng)變水平的增大,先增大后減小,且均在100%ε1,max處,應(yīng)力松弛度出現(xiàn)最大值.

2) 與在80%ε1,max處相比,傾角為30°,45°,60°,75°裂隙巖石及完整巖石在100%ε1,max處,應(yīng)力松弛度分別增加了1.10,1.03,0.50,0.15,0.09倍.在100%ε1,max處,裂隙巖石應(yīng)力松弛度均比完整巖石的大,表明裂隙的存在降低了巖石的完整性和穩(wěn)定性,從而使巖樣更容易發(fā)生變形;在100%ε1,max前,不同傾角的應(yīng)力松弛度并無明顯規(guī)律,而在100%ε1,max后,傾角為45°,75°裂隙巖石的應(yīng)力松弛度較傾角為30°,60°裂隙巖石的大.

3) 傾角為30°,75°裂隙巖石的應(yīng)力松弛度均在200%ε1,max,160%ε1,max發(fā)生突增,與其他裂隙巖石整體變化趨勢不相符.這可能是因為傾角為30°,75°裂隙巖石200%ε1,max處于峰后殘余階段,此應(yīng)變下的初始應(yīng)力相對于峰前較小,在松弛過程中巖石內(nèi)部的多條裂隙發(fā)生擴展、貫通形成宏觀破裂面,巖石宏觀結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞,導(dǎo)致應(yīng)力損失程度高,應(yīng)力松弛度出現(xiàn)增大,這點還有待進一步研究,從而也體現(xiàn)裂隙對巖石松弛產(chǎn)生更加不利影響,可能會造成事故突發(fā),難以預(yù)測,安全隱患巨大.因此,在工程中要高度重視裂隙所導(dǎo)致巖石應(yīng)力松弛破壞的問題.

2.3 應(yīng)力松弛速率

定義應(yīng)力松弛速率vi[12]為

vi=Δσi/Δt.

式中：vi表示應(yīng)力松弛量隨時間變化的快慢,vi越大,說明應(yīng)力松弛過程中應(yīng)力跌落越劇烈;Δσi為第i時刻的應(yīng)力松弛量.

不同應(yīng)變水平的初始應(yīng)力松弛速率,如圖9所示.圖9中：v0為初始松弛速率.由圖9可知：完整巖石和裂隙巖石初始松弛速率均隨著應(yīng)變的增大呈先增大后減小,最大初始應(yīng)力松弛速率出現(xiàn)在100%ε1,max處;在100%ε1,max時,裂隙巖石初始應(yīng)力松弛速率均比完整巖石的大,最大初始應(yīng)力松弛速率出現(xiàn)在傾角為45°裂隙巖石,其次是傾角為75°,30°,60°裂隙巖石,這4種裂隙巖石初始應(yīng)力松弛速率分別是完整巖石的1.4,1.3,1.2,1.1倍;傾角為30°,60°,75°裂隙巖石在破壞前倒數(shù)第2級應(yīng)變的初始應(yīng)力松弛速率較其上一級應(yīng)變的初始松弛速率出現(xiàn)增大現(xiàn)象,且均在峰后殘余強度段出現(xiàn)失穩(wěn)破壞.

圖9 不同應(yīng)變水平的初始應(yīng)力松弛速率Fig.9 Initial stress relaxation rates of different strain levels

由節(jié)2.1,2.2可知：完整巖石與裂隙巖石在100%ε1,max前、后的應(yīng)力松弛特性存在著明顯差異,這主要是因為100%ε1,max前,巖石應(yīng)力松弛主要是由于巖石內(nèi)部微裂隙的產(chǎn)生、擴展等原因而引起的,而100%ε1,max后,巖石應(yīng)力松弛過程主要是由于巖石中宏觀裂紋的產(chǎn)生、擴展以及貫通等.因此,在工程實踐中要避免使巖石處于峰值階段、峰后應(yīng)變軟化階段和峰后殘余強度段,特別是對于裂隙巖石而言,應(yīng)盡可能地提前采取相應(yīng)的支護加固措施來確保工程的安全與穩(wěn)定.

3 聲發(fā)射試驗及破壞特征

3.1 聲發(fā)射特征

振鈴計數(shù)變化圖,如圖10所示.圖10中：n為振鈴計數(shù).由圖10可知：完整巖石和裂隙巖石的聲發(fā)射事件均呈簇狀分布;在每一級加載段都存在著聲發(fā)射信號,且呈連續(xù)分布狀態(tài);在應(yīng)力松弛段的聲發(fā)射信號主要集中在快速松弛階段,另外在慢速松弛階段聲發(fā)射信號零星出現(xiàn).

(d) α=60°裂隙巖石 (e) α=75°裂隙巖石圖10 振鈴計數(shù)變化圖Fig.10 Variation of ringing count

由圖10還可知：振鈴計數(shù)最大值均發(fā)生在最后一級加載破壞段,其次是軸向峰值應(yīng)力處;完整巖石在第2級(屈服階段)的振鈴計數(shù)最大值與第3級(峰值階段)的有顯著差別,而裂隙巖石第2級振鈴計數(shù)最大值與第3級相差較小.由于振鈴計數(shù)反映巖石內(nèi)部裂隙的發(fā)育、擴展、貫通和擴展演化規(guī)律,在加載階段和快速松弛階段,內(nèi)部裂隙的發(fā)育、擴展、貫通更加劇烈,裂隙巖石在屈服階段和軸向峰值應(yīng)力處的內(nèi)部損傷也更大.

累計振鈴計數(shù),如圖11所示.圖11中：m為累計振鈴計數(shù).由圖11可知：裂隙巖石在各級應(yīng)變等級下的累計振鈴計數(shù)均顯著高于完整巖石;完整巖石在前5級應(yīng)變等級下累計振鈴計數(shù)增長緩慢,曲線近似呈線性關(guān)系,在第6級應(yīng)變等級時,累計振鈴計數(shù)開始出現(xiàn)明顯增大;裂隙巖石累計振鈴計數(shù)在各級應(yīng)變等級下呈現(xiàn)出明顯的上升,從第2級應(yīng)變等級后,不同裂隙巖石的累計振鈴計數(shù)開始存在明顯的差異,特別是第2級至第3級應(yīng)變等級之間,曲線斜率變化顯著,其中,傾角45°裂隙巖石的斜率比其他裂隙傾角巖石的大,這是因為在屈服階段,傾角45°裂隙巖石內(nèi)部晶粒錯動和裂隙尖端的應(yīng)力集中,導(dǎo)致微裂紋沿著裂隙尖端發(fā)育、擴展、貫通更為劇烈,因此,累計振鈴計數(shù)的突增較大;裂隙巖石的累計振鈴計數(shù)總數(shù)與完整巖石相比也有顯著的差別,累計振鈴計數(shù)總數(shù)隨著裂隙巖石傾角的增大分別是完整巖石累計振鈴計數(shù)總數(shù)的3.2,3.8,1.7,2.3倍,表明裂隙的存在導(dǎo)致試樣內(nèi)部微小裂隙發(fā)育活動更加劇烈.

圖11 累計振鈴計數(shù)Fig.11 Cumulative ringing count

3.2 巖石破壞特征

單軸逐級加載應(yīng)力松弛破壞圖,如圖12所示.

(a) 完整巖石 (b) α=30°裂隙巖石 (c) α=45°裂隙巖石 (d) α=60°裂隙巖石 (e) α=75°裂隙巖石圖12 單軸逐級加載應(yīng)力松弛破壞圖Fig.12 Failure of uniaxial step loading of stress relaxation

由圖12可知：完整巖石和裂隙巖石的破壞模式存在著較大的差異;完整巖石的破壞模式為剪切破壞,巖石出現(xiàn)明顯的宏觀剪切滑移面,主裂隙從巖石上端一直延伸到下端;裂隙巖石的破壞模式為張拉剪切型復(fù)合破壞,起裂位置主要出現(xiàn)在裂隙尖端處,在裂隙尖端處有分叉裂隙生成,且少量分叉裂隙穿過裂隙尖端沿著加載方向向上、下端部擴展,最終生成宏觀主破裂面,造成巖石的失穩(wěn)破壞;不同裂隙巖石在裂隙尖端處分叉出的裂隙數(shù)量存在著差異,其中傾角為30°,45°裂隙巖石尖端處分叉裂隙數(shù)量較傾角為60°,75°裂隙巖石的多;傾角為60°,75°裂隙巖石在宏觀主裂隙端部有著少量的碎片剝落.

造成上述現(xiàn)象的原因是裂隙巖石本身存在著一定的初始損傷,且在裂隙尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,長時間的應(yīng)力松弛使得裂隙巖石的裂隙尖端處有充足的時間發(fā)育,并產(chǎn)生大量分叉裂隙,這些分叉裂隙在巖石中沿放射狀方向發(fā)展并逐漸互相貫通,造成巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴重弱化,使宏觀主控破裂面的礦物粒子間的粘結(jié)、咬合能力降低及破裂面的摩擦力下降,進而造成宏觀主控破裂面斷口處出現(xiàn)破碎小塊體,并從破裂面間隙剝落.

結(jié)合聲發(fā)射特征可知：傾角為30°,45°裂隙巖石的累計振鈴計數(shù)整體上升趨勢較傾角為60°,75°裂隙巖石大,巖石破壞時,產(chǎn)生裂隙的數(shù)目和貫通程度也較大,加劇了巖石的劣化,降低了巖石的強度.通過比較累計振鈴計數(shù)第2級至第3級的斜率可知：通過裂隙尖端處裂隙的發(fā)育擴展劇烈程度推測巖石的破壞類型,進一步說明了聲發(fā)射特征值在一定程度上可以反映出巖石的破壞情況.應(yīng)力松弛過程中有活躍著聲發(fā)射信號(圖10),即應(yīng)力松弛過程中存在著裂隙的發(fā)育、擴展甚至貫通過程,而巖石失穩(wěn)破壞的本質(zhì)就是裂隙貫通導(dǎo)致,因此,應(yīng)力松弛過程產(chǎn)生的裂隙貫通對巖石最終的失穩(wěn)破壞有一定的影響.

綜上可知：隨著裂隙傾角的增大,巖石的破壞特征越來越接近完整巖石,但整體上裂隙均從裂隙尖端發(fā)育,沿著力的加載方向擴展、貫通至巖石端部,形成穿過裂隙兩端的主裂隙,這是造成試樣的失穩(wěn)破壞的主要原因.聲發(fā)射特征值可以作為一種有效的信息判斷巖石的破壞情況,且應(yīng)力松弛過程對巖石的失穩(wěn)破壞也有著一定的影響.

4 結(jié)論

1) 裂隙巖石的峰值軸向應(yīng)力比完整巖石的低,且隨著傾角的增大,峰值軸向應(yīng)力也隨之增大.應(yīng)力松弛過程可分為快速松弛階段,應(yīng)力快速跌落;慢速松弛階段,應(yīng)力隨時間增加而緩慢減小,最終趨于某一恒定值.

2) 完整巖石和裂隙巖石的應(yīng)力松弛度和初始應(yīng)力松弛速率均隨著應(yīng)變的增大總體呈先增大后減小的趨勢,且均在100%ε1,max處出現(xiàn)最大值;在此處,裂隙巖石的初始應(yīng)力松弛速率均大于完整巖石,且峰后初始應(yīng)力松弛速率均大于峰前.此外,裂隙巖石在屈服階段至峰值處,裂隙發(fā)育較為劇烈.

3) 完整巖石和裂隙巖石的聲發(fā)射事件均呈簇狀分布,且主要集中在加載段和應(yīng)力快速松弛階段.裂隙巖石在各級應(yīng)變等級下的累計振鈴計數(shù)均顯著高于完整巖石,不同裂隙傾角巖石的累計振鈴計數(shù)從第2級之后開始存在差異,特別是第2級至第3級應(yīng)變等級之間,曲線斜率變化顯著.

4) 裂隙巖石的破壞模式為張拉剪切型復(fù)合破壞,完整巖石的破壞模式為剪切破壞.隨著裂隙傾角的增大,裂隙巖石的破壞特征越來越接近完整巖石.聲發(fā)射特征值可以作為一種有效的信息判斷巖石的破壞情況,應(yīng)力松弛過程對巖石的失穩(wěn)破壞也有著一定的影響.