陳康

摘 要：首先介紹了巖石蠕變的相關(guān)概念以及聲發(fā)射在巖石穩(wěn)定性監(jiān)測中的應(yīng)用，然后根據(jù)聲發(fā)射在室內(nèi)試驗研究的相關(guān)文獻，對巖石在單軸壓縮與蠕變狀態(tài)下聲發(fā)射試驗做了綜述，并根據(jù)試驗結(jié)果簡要分析了兩種狀態(tài)下聲發(fā)射參數(shù)特征，最后對應(yīng)變與聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)系判定巖石蠕變與單軸壓縮狀態(tài)的方法借鑒至巖體路基穩(wěn)定性的監(jiān)測中進行了展望，同時指出了今后研究的重點與方向。

關(guān)鍵詞：巖體路基；聲發(fā)射；蠕變；穩(wěn)定性；監(jiān)測

引言

隨著高鐵與高速公路的快速發(fā)展，巖體工程的穩(wěn)定性問題越來越得到關(guān)注。在路基以及隧道的邊坡開挖過程中，工程師既要保證施工期間巖體的穩(wěn)定性，還要考慮地基沉降滿足通車運營要求。在巖石蠕變的研究中，聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)是重要的研究手段。巖石蠕變聲發(fā)射研究發(fā)展至今，已有了許多的研究成果，目前較少對相關(guān)成果進行整理和歸納，本文主要整理了近年部分有關(guān)聲發(fā)射在室內(nèi)試驗中的研究文獻，并基于此提出巖石蠕變聲發(fā)射研究方向并將其應(yīng)用至巖體路基邊坡、地下礦井等工程的穩(wěn)定性監(jiān)測進行展望。

1 相關(guān)概念的闡述

巖石蠕變是指巖石在恒定荷載作用下，變形隨著時間的推移而逐漸增大的現(xiàn)象；聲發(fā)射信號是聲發(fā)射儀器將材料內(nèi)部微裂紋因外部荷載作用下不斷孕育、發(fā)展所釋放的彈性波進行轉(zhuǎn)化所得到的信號。

2 巖石聲發(fā)射研究現(xiàn)狀

由于在實際的工程中，巖體的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，例如在邊坡的開挖過程中，巖體的截面不斷減小，應(yīng)力不斷增大，類似于單軸壓縮狀態(tài)，當(dāng)開挖停止或緩慢進行時，應(yīng)力狀態(tài)幾乎不變或增加緩慢，類似于蠕變狀態(tài)，為了更好研究巖石在開挖時開挖后的穩(wěn)定性情況，本文在整理巖石蠕變聲發(fā)射文獻的基礎(chǔ)上還整理了部分相關(guān)巖石單軸壓縮聲發(fā)射的研究。相對于蠕變聲發(fā)射，巖石在單軸壓縮聲發(fā)射方面的研究已有多年，主要探究巖石在單軸壓縮狀態(tài)下應(yīng)變、應(yīng)力等力學(xué)物理參數(shù)與聲發(fā)射各參數(shù)的關(guān)系，以下為部分代表性研究內(nèi)容。

陳宇龍[1]等人通過砂巖的單軸壓縮聲發(fā)射試驗，發(fā)現(xiàn)了巖石軸向、橫向、體積等應(yīng)變之間的關(guān)系，以及聲發(fā)射特性。吳永勝[2]等人研究了巖石在單軸壓縮狀態(tài)下AE活動規(guī)律，分析了巖石破壞機理，發(fā)現(xiàn)能率較聲發(fā)射率更適合預(yù)測巖石破壞。趙玉成[3]等人利用AE振鈴計數(shù)率以及能率分析了煤巖的損傷過程，并得到了各階段的損傷臨界值。蘇承東[4]等人通過單軸壓縮條件下兩種尺寸煤樣聲發(fā)射試驗，對比了兩種煤樣的AE特征，發(fā)現(xiàn)大尺寸煤樣的AE特征更適合預(yù)測煤巖的動力災(zāi)害。紀洪廣[5]等人通過在不同應(yīng)力水平下粉砂巖的聲發(fā)射試驗，發(fā)現(xiàn)在較低的應(yīng)力水平下，AE事件很少，當(dāng)應(yīng)力水平提高，AE事件相對活躍。文獻[6]通過不同加載方式下砂巖的聲發(fā)射試驗，發(fā)現(xiàn)在單軸壓縮狀態(tài)下巖樣在變形的各個階段具有各不相同的聲發(fā)射特征；在常規(guī)三軸狀態(tài)下，試樣AE事件主要出現(xiàn)在屈服階段和峰值后破壞階段；在三軸卸圍壓時，AE事件主要出現(xiàn)在試樣卸圍壓過程中。

在巖石蠕變聲發(fā)射研究方面。由于巖石發(fā)生蠕變破壞的時間較長，早期聲發(fā)射儀器連續(xù)作業(yè)時間有限，國內(nèi)相關(guān)研究一直不多。以下為近幾年部分相關(guān)文獻。徐子杰[7]等人通過不同應(yīng)力水平下大理巖的蠕變聲發(fā)射試驗，分析巖石蠕變損傷以及破壞的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)AE數(shù)在壓密與彈性階段較少，隨后加載破壞時顯著增加。楊永杰[8]等人通過分級加載聲發(fā)射試驗，發(fā)現(xiàn)通過聲發(fā)射特征能較好表征煤巖蠕變各階段的損傷過程。龔囪[9]等人通過進行紅砂巖分級循環(huán)加卸載的聲發(fā)射試驗，發(fā)現(xiàn)了巖樣在蠕變的三個階段中的聲發(fā)射能量和振幅特征。王煜曦[10]等人當(dāng)法向力不變的情況下，分別進行斷裂砂巖在壓剪破壞與巴西拉破壞的蠕變分級剪切試驗。發(fā)現(xiàn)了兩種破壞形式的巖石在不同的蠕變分級剪切階段AE能率和蠕變剪切位移之間的關(guān)系。王德超[11]等通過蠕變試驗研究發(fā)現(xiàn)：隨著壓力上升巖石AE信號不斷增強；當(dāng)壓力穩(wěn)定后，聲發(fā)射信號有所減弱，整體的變化趨勢平穩(wěn)。巖石抗壓強度和AE能量的最大值表現(xiàn)為正相關(guān)性。武晉文[12]等人通過對花崗巖在3種不同溫度、軸壓以及圍壓條件下蠕變聲發(fā)射試驗，研究對比了不同條件下巖體的蠕變聲發(fā)射特征。文獻[13]進行了分級加卸載條件下短時蠕變試驗，研究分析了紅砂巖在蠕變?nèi)齻€階段的聲發(fā)射b值特征。趙奎[14]等人分析在不同應(yīng)力水平下巖石蠕變聲發(fā)射主頻的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力水平的增大，頻帶相應(yīng)變寬。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，通過聲發(fā)射監(jiān)測巖石穩(wěn)定性具有較強的可行性，在巖體路基、地下礦井開挖過程中可有效對邊坡、礦柱等類似巖體進行監(jiān)測。在開挖進行與停止過程中，巖體截面不斷減小或不變，軸向應(yīng)力不斷增大或恒定，通過巖石在單軸壓縮與蠕變狀態(tài)下發(fā)射特征可較好的判斷巖柱的應(yīng)力狀態(tài)，從而進行穩(wěn)定性分析。尤其在巖體路基中，由于在蠕變和單軸壓縮狀態(tài)下聲發(fā)射參數(shù)與巖石應(yīng)變的關(guān)系不同，可通過聲發(fā)射與巖石應(yīng)變的關(guān)系對邊坡的變形進行監(jiān)測。然而，聲發(fā)射在巖石蠕變現(xiàn)象的研究成果相對較少，有關(guān)巖石加速蠕變階段的聲發(fā)射研究更是欠缺。目前鮮有關(guān)于監(jiān)測巖石蠕變破壞的聲發(fā)射定量判據(jù)，因此，聲發(fā)射與巖石蠕變損傷關(guān)系的量化將會是今后的科學(xué)研究重點。在實際的工程應(yīng)用中，由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜，聲發(fā)射技術(shù)的廣泛應(yīng)用還存在一定困難，例如如何應(yīng)對噪音的干擾，延長儀器的連續(xù)作業(yè)時間等問題上還有待研究。

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