夏 冬,楊天鴻,王培濤,張鵬海,趙永川

(1.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽 110819;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧沈陽 110819)

干燥及飽和巖石循環(huán)加卸載過程中聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究

夏 冬1,2,楊天鴻1,2,王培濤1,2,張鵬海1,2,趙永川1,2

(1.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽 110819;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧沈陽 110819)

利用YAG-3000微機(jī)控制巖石剛性試驗(yàn)機(jī)和PCI-Ⅱ聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)中關(guān)鐵礦深部閃長(zhǎng)巖分別進(jìn)行干燥、飽和2種條件下循環(huán)加卸載過程的聲發(fā)射試驗(yàn),以探討這2種含水條件下巖石的力學(xué)特性、聲發(fā)射特征、加卸載響應(yīng)比的變化情況。結(jié)果表明:水對(duì)巖石的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征具有不同程度的影響。巖樣從干燥狀態(tài)到飽和狀態(tài),其抗壓強(qiáng)度降低了6.96%;整個(gè)加卸載過程中,飽和巖樣的聲發(fā)射能量累積數(shù)為干燥巖樣的17.94%,且試件發(fā)生宏觀破壞之前,飽和巖樣的聲發(fā)射能量累積數(shù)為干燥巖樣的4.6%;干燥巖樣的加卸載響應(yīng)比的最大值出現(xiàn)在峰值強(qiáng)度前的很短時(shí)間內(nèi),而飽和巖樣的最大值出現(xiàn)在裂紋的非穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

循環(huán)加卸載;不同含水狀態(tài);聲發(fā)射;加卸載響應(yīng)比;破壞前兆

巖石聲發(fā)射是巖石在受力過程中其內(nèi)部原生裂紋和缺陷的擴(kuò)展以及新的微破裂的孕育、萌生、演化、擴(kuò)展和斷裂過程所釋放的彈性波。聲發(fā)射作為一種研究巖石受載變形、損傷、破壞演化規(guī)律的有效技術(shù),已廣泛應(yīng)用于實(shí)際巖體工程。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在煤和巖石受力破壞過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行了大量的研究工作,并且取得了很多有益成果[1-3]。Holcomb和Costin[4]利用聲發(fā)射技術(shù),探測(cè)脆性材料的損傷面。Mansurov[5]用聲發(fā)射技術(shù)測(cè)量巖石破壞過程的信息,預(yù)測(cè)巖石的破壞類型。Li和Nordlund[6]用聲發(fā)射測(cè)量由爆破引起的損傷。I.Tsuyoshi等[7-8]運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)巖石直剪過程中的裂紋開裂情況進(jìn)行了研究,結(jié)果表明聲發(fā)射有較高的精度來檢測(cè)巖石直剪過程中的裂紋發(fā)展情況。趙興東等[9-11]對(duì)不同巖石的聲發(fā)射活動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并應(yīng)用聲發(fā)射定位技術(shù),對(duì)聲發(fā)射的定位機(jī)制進(jìn)行了分析,為研究巖石破裂失穩(wěn)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

巖土工程在施工及運(yùn)營(yíng)期間,經(jīng)常會(huì)遇到地下水和循環(huán)載荷的共同作用,巖體在地下水和循環(huán)載荷作用下的力學(xué)性能是影響巖土工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性的重要因素之一。關(guān)于地下水對(duì)巖石聲發(fā)射特性的影響,前人已做了一些相關(guān)的試驗(yàn)研究[12-14],并取得一些有意義的研究成果。而關(guān)于在地下水和循環(huán)加卸載共同作用對(duì)巖石力學(xué)特性、變形特性及聲發(fā)射特征影響方面的研究成果相對(duì)較少。筆者對(duì)取自中關(guān)鐵礦深部閃長(zhǎng)巖試件進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載力學(xué)試驗(yàn)及聲發(fā)射試驗(yàn),分析干燥及飽和巖樣在循環(huán)加卸載作用下的強(qiáng)度、變形及聲發(fā)射特征,基于加卸載響應(yīng)比理論,深入探討了循環(huán)加卸載作用下干燥與飽和巖石失穩(wěn)破壞的前兆規(guī)律,為研究不同含水狀態(tài)下巖石破裂失穩(wěn)機(jī)理提供參考。

1 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

1.1 試樣制備

試件均為取自河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司中關(guān)鐵礦施工現(xiàn)場(chǎng)的灰綠色閃長(zhǎng)巖。加工工藝為:首先在施工現(xiàn)場(chǎng)采用鉆爆法獲得不規(guī)則的立方體巖塊,再在實(shí)驗(yàn)室用水鉆法鉆取巖芯,按國(guó)際巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法[15],加工成?50 mm×100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件,精度要求滿足《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL264—2001)[16]。試驗(yàn)前對(duì)加工好的試件采用英國(guó)Proceq公司生產(chǎn)的超聲波混凝土測(cè)試儀(TICO)進(jìn)行波速測(cè)試,測(cè)試后選取波速接近、外觀完整、質(zhì)地均一的試件分別進(jìn)行烘干及飽和處理,以測(cè)試干燥及飽和試件在循環(huán)加卸載作用下的強(qiáng)度、變形及聲發(fā)射特征。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備由加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。加載系統(tǒng):采用杭州邦威機(jī)電控制工程有限公司生產(chǎn)的YAG-3000微機(jī)控制巖石剛性試驗(yàn)機(jī);聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng):采用美國(guó)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI-Ⅱ聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):采用應(yīng)力傳感器、位移傳感器和靜態(tài)應(yīng)變儀對(duì)巖石所加荷載和縱向變形進(jìn)行量測(cè)。試驗(yàn)裝置如圖1所示[17]。

圖1 巖石聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of AE and loading system

試驗(yàn)采用單軸循環(huán)加卸載方式,加卸載速率均為10 kN/min,試驗(yàn)過程中,保持加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步進(jìn)行。單軸循環(huán)加卸載采用的加載方式為:首先加載至試件單軸抗壓強(qiáng)度的20%,然后卸載至其單軸抗壓強(qiáng)度的5%,此后,每次按10 kN的增量增加荷載直至試件破壞。本試驗(yàn)采用8個(gè)Nano30型傳感器進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)采集,將傳感器的工作頻率設(shè)為125～750 kHz。試驗(yàn)過程中用橡膠帶將傳感器均勻地固定在試件的四周,傳感器距試件的上下端面均為20 mm。為保證聲發(fā)射信號(hào)能被傳感器良好接收,在試件與傳感器接觸部位涂抹黃油進(jìn)行耦合。為降低端部噪聲對(duì)聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果的影響,在壓力機(jī)壓頭和試件之間用涂有黃油的濾紙片隔開。試驗(yàn)中將聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)的門檻值設(shè)為45 dB,主放設(shè)為40 dB,采樣頻率設(shè)為1 MHz。利用上述加載方案,在常溫條件下,對(duì)各巖樣進(jìn)行循環(huán)加卸載條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 強(qiáng)度及變形特征分析

巖樣在單軸循環(huán)加卸載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了巖樣受力后的強(qiáng)度及變形性質(zhì)。由試驗(yàn)結(jié)果,繪制出循環(huán)加卸載條件下干燥及飽和巖樣典型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 干燥、飽和巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain curves of diorite under different moistures contents

由圖2可見,水對(duì)巖樣的強(qiáng)度產(chǎn)生了一定程度的影響,干燥巖樣與飽和巖樣的抗壓強(qiáng)度分別為126.40和118.18 MPa,巖樣從干燥到飽和狀態(tài),其抗壓強(qiáng)度降低了6.96%。水除了對(duì)巖樣的強(qiáng)度產(chǎn)生一定程度的影響外,其對(duì)巖樣的變形特征也產(chǎn)生了重要的影響,對(duì)比干燥與飽和巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn),2種含水狀態(tài)的巖樣在加載初期均出現(xiàn)壓密現(xiàn)象,相對(duì)于干燥巖樣,飽和巖樣在加載初期產(chǎn)生更為明顯的塑性變形,這是因?yàn)榧虞d初期,巖樣內(nèi)部原始天然裂隙逐漸閉合,且水分子進(jìn)入巖樣內(nèi)部,削弱了巖樣內(nèi)部顆粒間的粒間聯(lián)系,使得巖石內(nèi)部的裂隙處于調(diào)整階段,即便在較低的應(yīng)力水平下,巖石試件在加載方向也產(chǎn)生較大的塑性變形。隨循環(huán)次數(shù)及應(yīng)力水平的增加,2種不同含水狀態(tài)的巖樣均進(jìn)入穩(wěn)定變形階段,該階段兩種巖樣加載曲線的斜率也逐次略有增加,表明加載應(yīng)力下兩種巖樣的彈性均有所增強(qiáng)。兩種巖樣的加載與卸載路徑不重合,每次加載與卸載過程都會(huì)形成一個(gè)塑性滯回環(huán),隨著循環(huán)次數(shù)及應(yīng)力水平的增加,塑性滯回環(huán)向應(yīng)變?cè)龃蟮姆较蛞苿?dòng),且應(yīng)變中不可恢復(fù)變形量的增長(zhǎng)速度逐漸減小,累積變形量逐漸增大,滯回環(huán)也越來越密集,峰值強(qiáng)度前,干燥巖樣的軸向變形量約為飽和巖樣的62.5%。在試件臨近破壞時(shí),干燥巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性變化,其破壞形態(tài)為剪切脆性破壞,破壞前沒有明顯征兆且破壞時(shí)伴隨明顯的爆裂聲和巖石碎塊的飛出;飽和巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為向下彎曲,不屬于脆性破壞,這可能與礦物晶格內(nèi)的含水量變化有關(guān)。

2.2 聲發(fā)射特征分析

巖石在循環(huán)加卸載過程中,同樣伴隨著原生裂隙的壓密、新生裂隙的萌生、擴(kuò)展和貫通,最終形成宏觀裂隙,在加載及卸載過程中同時(shí)伴隨聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生,干燥及飽和巖樣典型的應(yīng)力-時(shí)間-能量累積關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 應(yīng)力-時(shí)間-能量累積數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Stress-time-energy of diorite under different moistures contents

由圖3可見,加載初期,干燥、飽和巖樣幾乎沒有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生。隨循環(huán)次數(shù)及應(yīng)力水平的逐級(jí)增加,干燥巖樣的聲發(fā)射能量累積數(shù)出現(xiàn)了2次比較明顯的階躍,而飽和巖樣聲發(fā)射能量累積數(shù)增長(zhǎng)幅度較為穩(wěn)定,產(chǎn)生這種差別的原因可能是干燥巖樣內(nèi)部局部閉合裂紋表面之間的錯(cuò)動(dòng)及晶粒間的相對(duì)滑移產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào),對(duì)于飽和巖樣,在這一過程中雖也發(fā)生上述現(xiàn)象,但由于水的軟化及潤(rùn)滑作用使得巖樣的聲發(fā)射信號(hào)明顯減弱。隨循環(huán)次數(shù)的增加及應(yīng)力水平的進(jìn)一步提高,巖樣進(jìn)入破壞階段,在該階段,干燥、飽和巖樣的聲發(fā)射能量累積數(shù)均發(fā)生突變,聲發(fā)射活動(dòng)進(jìn)入高峰期,與此同時(shí)2種不同含水狀態(tài)巖樣均可看到微破裂甚至崩裂的發(fā)生。在整個(gè)加卸載過程中,飽和巖樣的聲發(fā)射能量累積數(shù)為干燥巖樣的17.94%,且試件發(fā)生宏觀破壞前,飽和巖樣的聲發(fā)射能量累積數(shù)為干燥巖樣的4.6%,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是水分子進(jìn)入巖樣內(nèi)部,削弱了巖樣內(nèi)部顆粒間的粒間聯(lián)系,使巖樣在破裂時(shí)所需的能量減少。由此可見,水對(duì)巖樣聲發(fā)射特征參數(shù)具有顯著的影響。

2.3 加卸載響應(yīng)比特征分析

在地震學(xué)、損傷力學(xué)、非線性科學(xué)、斷裂力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上,尹祥礎(chǔ)等[18-19]提出了加卸載響應(yīng)比理論。加卸載響應(yīng)比理論是一種用于研究非線性系統(tǒng)失穩(wěn)前兆和失穩(wěn)預(yù)報(bào)的理論,加卸載響應(yīng)比Y是一個(gè)能定量反映非線性系統(tǒng)趨近失穩(wěn)程度的參數(shù)[20-22],可將其定義為

其中,X+和X-分別為加載與卸載的響應(yīng)。響應(yīng)量可按下式計(jì)算:

其中,ΔP和ΔR分別為載荷P和響應(yīng)R對(duì)應(yīng)的增量。當(dāng)巖石類材料處于彈性階段時(shí),X+和X-的值比較接近,加卸載響應(yīng)比值Y約為1;到了損傷破壞階段,Y值也會(huì)相應(yīng)的增加;當(dāng)巖石類材料臨近破壞時(shí),Y值達(dá)到最大值。利用能量作為響應(yīng)可將加卸載響應(yīng)比Y的值定義為

其中,E為釋放的能量,m=1時(shí),Em為能量;N+為加載能量數(shù)目;N-為卸載能量數(shù)目。試驗(yàn)中記錄的聲發(fā)射能量反映了試件內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生或擴(kuò)展時(shí)所釋放的彈性能,通過對(duì)聲發(fā)射能量的分析,可以研究巖石等脆性材料彈性能釋放的演化規(guī)律。試驗(yàn)中應(yīng)用能量作為響應(yīng),得到干燥、飽和巖樣的加卸載響應(yīng)比Y隨時(shí)間的變化情況,如圖4所示。

圖4 加卸載響應(yīng)比值Y隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Value Y of LURR versus time

由圖4可見,當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí),干燥、飽和巖樣的加卸載響應(yīng)比均較小,也較穩(wěn)定,說明巖樣的損傷程度較小。當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí),加卸載響應(yīng)比急劇增大,表明巖樣的損傷程度較大,系統(tǒng)趨于失穩(wěn)。當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到巖樣的極限載荷,且在巖樣發(fā)生根本破壞之前,加卸載響應(yīng)比又出現(xiàn)了不同程度的回落。干燥、飽和狀態(tài)的巖樣,其加卸載響應(yīng)比在整個(gè)加卸載過程中的變化趨勢(shì)又有所不同。

對(duì)于干燥巖樣,在加載初期,其加卸載響應(yīng)比略大于1,表明加載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射能量略大于卸載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射能量;當(dāng)巖樣受載進(jìn)入彈性階段后,巖樣加卸載響應(yīng)比呈下降趨勢(shì),表明該階段加載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射能量數(shù)小于卸載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射能量數(shù),說明該階段巖樣在加卸載過程中均有損傷,且卸載過程中產(chǎn)生的損傷逐步增加;當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到巖樣的極限載荷時(shí),加卸載響應(yīng)比達(dá)最大值,然后急劇下降,隨之破裂發(fā)生。對(duì)于飽和巖樣,在加載初期,加卸載響應(yīng)比小于1,表明加載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射能量數(shù)小于卸載過程中產(chǎn)生的能量數(shù),說明該階段加載過程中產(chǎn)生的損傷小于卸載過程中產(chǎn)生的損傷;巖樣進(jìn)入彈性階段后,其加卸載響應(yīng)比在1附近波動(dòng),表明加載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射能量數(shù)與卸載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射能量數(shù)比較接近,說明加載過程中產(chǎn)生的損傷與卸載過程中產(chǎn)生的損傷基本相等;當(dāng)巖樣進(jìn)入非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段,加卸載響應(yīng)比明顯增大,表明加載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射能量數(shù)大于卸載過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射能量數(shù),說明該階段加載過程中產(chǎn)生的損傷要大于卸載過程中產(chǎn)生的損傷;隨著載荷的繼續(xù)增大,巖樣承載力達(dá)到其峰值,該階段的加卸載響應(yīng)比較前一階段有所下降,最后巖樣的加卸載響應(yīng)比接近于1。

對(duì)比干燥、飽和巖樣加卸載響應(yīng)比隨時(shí)間變化的曲線可以發(fā)現(xiàn),干燥巖樣的加卸載響應(yīng)比的最大值出現(xiàn)在巖樣的峰值強(qiáng)度前的很短時(shí)間內(nèi),而飽和巖樣的加卸載響應(yīng)比的最大值出現(xiàn)在裂紋的非穩(wěn)定擴(kuò)展階段,且干燥巖樣的加卸載響應(yīng)比的最大值為飽和巖樣的1.8倍。加卸載響應(yīng)比的演化過程在一定程度上反映了巖樣內(nèi)部的損傷破壞程度或接近失穩(wěn)的程度,其值急劇增大和回落可以作為巖石臨近和發(fā)生破壞的標(biāo)志,而加卸載響應(yīng)值的急劇增大及回落又出現(xiàn)在巖石發(fā)生根本破壞之前,因此加卸載響應(yīng)比的異常變化可以作為巖石即將失穩(wěn)的判據(jù)。

3 結(jié) 論

(1)水對(duì)巖樣的力學(xué)特性及變形特征具有一定程度的影響。與干燥巖樣相比,飽和巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度降低了6.96%;峰值強(qiáng)度前,干燥巖樣的軸向變形量約為飽和巖樣的62.5%;在試件臨近破壞時(shí),干燥巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性變化,其破壞形態(tài)為剪切脆性破壞,破壞前沒有明顯征兆且破壞時(shí)伴隨明顯的爆裂聲和巖石碎塊的飛出;飽和巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為向下彎曲,不屬于脆性破壞。

(2)水對(duì)巖樣的聲發(fā)射特征參數(shù)具有顯著的影響,在整個(gè)加卸載過程中,飽和巖樣的聲發(fā)射能量累積數(shù)為干燥巖樣的17.94%,且試件發(fā)生宏觀破壞前,飽和巖樣的聲發(fā)射能量累積數(shù)為干燥巖樣的4.6%,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是水分子進(jìn)入巖樣內(nèi)部,削弱了巖樣內(nèi)部顆粒間的粒間聯(lián)系,使巖樣在破裂時(shí)所需的能量減少。

(3)加卸載響應(yīng)比急劇增大和回落可作為巖石臨近和發(fā)生破壞的標(biāo)志。干燥、飽和巖樣的加卸載響應(yīng)比在整個(gè)受力過程中的變化趨勢(shì)有所不同,干燥巖樣的加卸載響應(yīng)比的最大值出現(xiàn)在巖樣的峰值強(qiáng)度前的很短時(shí)間內(nèi),而飽和巖樣的加卸載響應(yīng)比的最大值出現(xiàn)在裂紋的非穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

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Experim ental study of acoustic em ission characteristics of dry and saturated rocks during cyclic loading and unloading process

XIA Dong1,2,YANG Tian-hong1,2,WANG Pei-tao1,2,ZHANG Peng-hai1,2,ZHAO Yong-chuan1,2

(1.Key Laboratory ofMinistry ofEducation on Safe Mining ofDeep Metal Mines,Northeastern University,Shenyang 110819,China.2.School ofResources& Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

By using YAG-3000 microcomputer controlled rock stiffness testing machine and PCI-II acoustic emission monitoring system,the cyclic loading experiments for dry and water-saturated diorites obtained in Zhongguan ironmine were carried out for analyzing the variation ofmechanical properties,acoustic emission properties and LURR.The results show that the water content has significant influence on rock strength as well as acoustic emission properties.The compressive strength of water-saturated samples is 6.96%lower than that of dry samples;and during the whole process,the accumulated AE events of thewater-saturated are about17.94%of the dry specimen,moreover before the peak value,the total AE events ofwater-saturated specimen are about4.6%of the dry specimen.Furthermore themax LURR of the dry specimen occurs just before the strength value,while themax LURR ofwater-saturated specimen occurs in the process of unsteady extending of the fracture.

cyclic loading;differentmoisture state;acoustic emission(AE);load/unload response ratio(LURR);failure precursor

TD315

A

0253-9993(2014)07-1243-05

夏 冬,楊天鴻,王培濤,等.干燥及飽和巖石循環(huán)加卸載過程中聲發(fā)射特征試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(7):1243-1247.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1283

Xia Dong,Yang Tianhong,Wang Peitao,et al.Experimental study of acoustic emission characteristics of dry and saturated rocks during cyclic loading and unloading process[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1243-1247.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1283

2013-09-09 責(zé)任編輯:常 琛

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2013CB227902);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174045,51304036)

夏 冬(1981—),男,河北隆化人,博士研究生。Tel:024-83671626,E-mail:dianjiahan@163.com