■張晉彰 張弦 楊子尹 王貴宇

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 江蘇徐州 221116）

單軸應(yīng)力條件下巖石破壞特征與聲發(fā)射參數(shù)間對(duì)應(yīng)規(guī)律

■張晉彰 張弦 楊子尹 王貴宇

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 江蘇徐州 221116）

本文通過(guò)對(duì)巖石單軸加載的室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試了巖石破裂全過(guò)程的力學(xué)特征及其聲發(fā)射參數(shù)演化特征，得到巖石單軸應(yīng)力時(shí)間序列狀態(tài)下聲發(fā)射能量、事件、峰值頻率和撞擊數(shù)等相關(guān)參數(shù)與應(yīng)力水平、時(shí)間之間的關(guān)系；揭示了單軸應(yīng)力條件下巖石破壞特征與聲發(fā)射參數(shù)間對(duì)應(yīng)規(guī)律，為更好地應(yīng)用聲發(fā)射手段進(jìn)行巖體穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)、方法和手段。[關(guān)鍵詞]聲發(fā)射單軸壓縮巖石破壞特征聲發(fā)射參數(shù)

0 引言

材料或結(jié)構(gòu)受外載作用下發(fā)生變形和斷裂，內(nèi)部產(chǎn)生微破裂，在此過(guò)程中以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射[1]。由于聲發(fā)射信號(hào)是巖石在外在作用下內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展而釋放的應(yīng)變能，所以每個(gè)聲發(fā)射信號(hào)都從一定程度上反映出巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

聲發(fā)射現(xiàn)象早在1937年就由美國(guó)礦山局的L.Obert和W. Duvall發(fā)現(xiàn)，并于1940年在阿米克銅礦檢測(cè)到爆發(fā)性聲發(fā)射，預(yù)測(cè)巖爆的來(lái)臨[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石的聲發(fā)射特性也做了許多室內(nèi)研究，探究單軸壓縮、彎曲應(yīng)力、拉伸應(yīng)力等情況下的巖石聲發(fā)射特性，但主要是側(cè)重巖石破壞前的應(yīng)力–應(yīng)變與聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)系方面，而對(duì)于單軸應(yīng)力條件下巖石破壞特征與聲發(fā)射參數(shù)間對(duì)應(yīng)規(guī)律之間的研究則較少，研究和分析此過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的變化，對(duì)于揭示巖體破壞全過(guò)程中的特征規(guī)律有著重要作用。

1 巖石單軸受載破裂過(guò)程力學(xué)分析

（1）壓密階段：加載初期巖石試件受單向載荷后，內(nèi)部已存裂隙受壓閉合[3]，有些許聲發(fā)射產(chǎn)生，主要是由內(nèi)部原有裂隙的閉合和新裂隙的產(chǎn)生引起。巖石中的微裂隙或節(jié)理面在被壓密實(shí)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，其聲發(fā)射特征為：撞擊數(shù)少、能量低。

（2）彈性變形階段：隨著荷載增加，在此階段既無(wú)塑性變形，也無(wú)裂紋擴(kuò)展[4]。試件中原有裂隙繼續(xù)被壓密，聲發(fā)射活動(dòng)較少，甚至沒(méi)有。試件內(nèi)部的微裂隙或節(jié)理面已被壓密，產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)很微弱，表現(xiàn)為撞擊數(shù)很少、能量很低。

（3）裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展和擴(kuò)容階段：隨著荷載繼續(xù)增加，裂隙呈穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展。產(chǎn)生的聲發(fā)射多為突發(fā)型，并有逐漸增加的趨勢(shì)，主要原因是由于大量的微裂紋開(kāi)始形成、匯合，最后微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展所產(chǎn)生。

（4）裂紋的非穩(wěn)定擴(kuò)展階段：試件內(nèi)斜交或平行加載方向的裂隙擴(kuò)展迅速，裂隙進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段，聲發(fā)射活動(dòng)急劇增多。這個(gè)階段產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)非常強(qiáng)烈，表現(xiàn)為：撞擊數(shù)驟增、能量高。

（5）應(yīng)變軟化和破壞階段：巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度后，載荷隨變形的增加而減小，巖石內(nèi)大量的微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、匯合，最終導(dǎo)致巖石的完全破壞。此階段聲發(fā)射事件率、能率均呈下降趨勢(shì)。聲發(fā)射信號(hào)會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生，表現(xiàn)為撞擊數(shù)驟減和能量減小。

2 巖石單軸受載破裂聲發(fā)射參數(shù)演化特征

2.1 聲發(fā)射參數(shù)簡(jiǎn)介

根據(jù)聲發(fā)射參數(shù)本身的內(nèi)涵和對(duì)聲發(fā)射信號(hào)描述方式和研究角度的不同，聲發(fā)射參數(shù)可以分為基本參數(shù)和特征參數(shù)兩類。基本參數(shù)和特征參數(shù)又可進(jìn)一步分為過(guò)程參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)[5-6]。過(guò)程參數(shù)是對(duì)整個(gè)聲發(fā)射過(guò)程或某個(gè)子過(guò)程的描述，而狀態(tài)參數(shù)反映則是在聲發(fā)射過(guò)程中某一狀態(tài)下的聲發(fā)射行為，是瞬時(shí)量。

本文中研究的聲發(fā)射參量主要有：聲發(fā)射的能量，聲發(fā)射事件數(shù)，聲發(fā)射撞擊數(shù)，以及聲發(fā)射的峰值頻率。研究這些參量在單軸應(yīng)力狀態(tài)下和應(yīng)力水平、時(shí)間序列之間的關(guān)系，進(jìn)而得出巖石破壞特征與聲發(fā)射參數(shù)間對(duì)應(yīng)規(guī)律。

2.2 巖石聲發(fā)射特征分析

圖1

圖2為聲發(fā)射事件以及應(yīng)力與時(shí)間曲線圖。分析知試件加載過(guò)程中的聲發(fā)射序列曲線呈現(xiàn)連續(xù)性增長(zhǎng)波動(dòng)，在應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力臨界點(diǎn)之前，聲發(fā)射事件比較高，而后減弱大幅度減少。

圖2

圖3為聲發(fā)射峰值頻率以及應(yīng)力與時(shí)間曲線圖。分析可知試件聲發(fā)射峰值頻率在破裂前處于較低水平且波動(dòng)較??；臨近破裂時(shí)，聲發(fā)射頻率曲線出現(xiàn)多次較大的跳躍式上升。

圖3

圖4為聲發(fā)射撞擊數(shù)以及應(yīng)力與時(shí)間曲線圖。分析可知隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力不斷增大過(guò)程中，聲發(fā)射撞擊數(shù)也不斷增長(zhǎng)。

圖4

3 聲發(fā)射時(shí)間序列過(guò)程分析

本次室內(nèi)單軸巖石破壞試驗(yàn)中存在聲發(fā)射平靜期，預(yù)示著巖石峰值破壞的來(lái)臨。巖體破裂過(guò)程中，AE在時(shí)間序列上分為初始階段(I)、劇烈階段(II)、下降階段(III)和平靜階段（IV）[7]。從AE活動(dòng)較活躍的II階段到巖體完全破壞，這中間存在著第III，IV階段，即AE活動(dòng)在高峰后逐漸下降并最終趨于平靜，但這并不意味著巖體趨于穩(wěn)定，事實(shí)上卻已發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。也就是說(shuō)巖體破壞前存在聲發(fā)射平靜階段---預(yù)示著結(jié)構(gòu)破壞的來(lái)臨。因此在巖體穩(wěn)定性聲發(fā)射監(jiān)測(cè)中，若AE活動(dòng)急劇增加后突然下降或出現(xiàn)相對(duì)平靜期，則預(yù)示著巖體的破壞，此點(diǎn)為現(xiàn)場(chǎng)巖體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)的判據(jù)提供了理論依據(jù)和方法。

4 結(jié)論

（1）試件初期加載過(guò)程中聲發(fā)射是巖石內(nèi)部預(yù)存裂隙受壓閉合產(chǎn)生的，聲發(fā)射能量較低，波動(dòng)性也比較大。

（2）隨載荷增加，新裂紋的產(chǎn)生和原有裂紋的擴(kuò)展，形成了相應(yīng)的斷裂面，導(dǎo)致試件破壞時(shí)聲發(fā)射能量和聲發(fā)峰值射頻率達(dá)到最大值。

（3）整個(gè)壓縮過(guò)程中聲發(fā)射活動(dòng)豐富，存在初始階段、劇烈階段和下降階段。在時(shí)間序列坐標(biāo)系中，臨近峰值點(diǎn)時(shí)聲發(fā)射活動(dòng)活躍，然后聲發(fā)射事件數(shù)趨于平緩。說(shuō)明在室內(nèi)巖石單軸破壞過(guò)程中存在聲發(fā)射平靜階段，且預(yù)示著巖石峰值破壞的來(lái)臨。

[1]勝山邦久.聲發(fā)射 (AE)技術(shù)的應(yīng)用 [M].馮夏庭譯.北京:冶金工業(yè)出版社，1996.

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圖2 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)于高邊坡樁錨結(jié)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨索的設(shè)計(jì)應(yīng)該采用上面的介紹方法比較簡(jiǎn)便實(shí)用。

（2）預(yù)應(yīng)力的錨索通過(guò)一些特殊的手段實(shí)現(xiàn)了將鋼絞線變成長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)的受拉結(jié)構(gòu)體，從而增強(qiáng)了土體的錨固強(qiáng)度，改善了巖土體的應(yīng)力狀態(tài)，提高了巖土體的穩(wěn)定性。

（3）在進(jìn)行邊坡開(kāi)挖前，應(yīng)該對(duì)地質(zhì)情況了解清楚，在隨著開(kāi)挖暴露，進(jìn)一步的了解地質(zhì)條件的變化，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)的調(diào)整與變更，實(shí)習(xí)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息化施工。

參考文獻(xiàn)

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P58[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-73-1

2014年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃指導(dǎo)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)201410290021X)