陳彪,趙伏軍,2*,劉永宏,田芯宇,陳品崟

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;(2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

在巖石受外載荷作用時,巖石內(nèi)部發(fā)生變形以及微小結(jié)構(gòu)面破壞斷裂,然后耗散的能量以彈性波和電磁波的形式釋放出來,這一現(xiàn)象稱為聲發(fā)射和電磁輻射現(xiàn)象[1,2].聲發(fā)射和電磁輻射技術(shù)能夠?qū)崟r不間斷地監(jiān)測巖石內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展,并通過觀察其聲電信號特征來進(jìn)行工程地質(zhì)災(zāi)害等的預(yù)測預(yù)報,被當(dāng)作一種動態(tài)無損監(jiān)測技術(shù).因此,對于巖石受力破壞過程中的聲電效應(yīng)以及特征,眾多學(xué)者開展了大量的基礎(chǔ)性研究工作.李期森等[3]通過對紅砂巖進(jìn)行單軸聲發(fā)射特征研究,發(fā)現(xiàn)在峰值應(yīng)力前,低主頻聲發(fā)射隨著應(yīng)力增加而增加,在峰后破壞階段,聲發(fā)射主頻變寬.高保彬等[4,5]對脆性、塑形破壞類型巖石進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)了脆性破壞累計計數(shù)的平均增長率高于塑形破壞.王恩元等[6]對受載煤體破裂過程中產(chǎn)生電磁輻射進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)電磁輻射信號與聲發(fā)射信號并非完全同步.王笑然等[7]研究發(fā)現(xiàn)了相對于自然狀態(tài)試件,飽水試件的聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)較晚.騰天野等[8,9]通過對不同含水率狀態(tài)下的巖體進(jìn)行聲發(fā)射采集實驗得出,隨著含水率的增加,AE振鈴計數(shù)減少,巖石強(qiáng)度降低.綜觀上述研究,其成果主要集中在自然狀態(tài)的巖石破壞聲發(fā)射或電磁輻射特性以及水對巖石破壞特征影響的研究上,而針對不同含水狀態(tài)下巖石破壞聲電特性的綜合研究則較少.因此本文以工程中常見的砂巖為研究對象,進(jìn)行不同含水狀態(tài)巖石的單軸壓縮試驗,并結(jié)合聲發(fā)射與電磁輻射系統(tǒng),對不同含水狀態(tài)巖石破碎過程的聲電效應(yīng)進(jìn)行研究與分析.研究成果可為判別工程巖體穩(wěn)定性提供理論依據(jù).

1 試驗概況

1.1 試驗加載系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)(如圖1所示)主要包括加載系統(tǒng)、聲發(fā)射采集系統(tǒng)和電磁輻射采集系統(tǒng).為保證聲發(fā)射信號和電磁輻射信號的采集效果,在試件和聲發(fā)射探頭之間涂抹耦合劑,同時在試驗裝置上加蓋防輻射材料.加載方式采用位移控制式,加載速率為0.002 mm/s.聲發(fā)射儀門檻值設(shè)定為45 dB,聲發(fā)射系統(tǒng)總增益值設(shè)為76 dB(其中前放增益值為40 dB,主放增益值為36 dB).

1-聲發(fā)射傳感器;2-電磁輻射傳感器;3-聲發(fā)射采集主機(jī);4-電磁輻射采集主機(jī)圖1 試驗系統(tǒng)

1.2 試樣制備

1.2.1 試驗材料選取及分類

實驗選用砂巖材料,試樣尺寸為Φ50 mm×100 mm,不平行度和不垂直度低于0.02 mm.不同含水狀態(tài)設(shè)為干燥狀態(tài)、自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)3種,每種狀態(tài)對應(yīng)3個試樣,試樣的分類編號如表1所示.

表1 試樣分類

1.2.2 不同含水狀態(tài)砂巖制備及分類

根據(jù)試驗要求,3種不同含水狀態(tài)砂巖具體制備方法如下:(1)干燥狀態(tài)試樣:將試樣放在108 ℃的干燥箱烘干48 h;(2)自然狀態(tài)試樣:將加工完成的巖樣直接用保鮮膜包裹好;(3)飽水狀態(tài)試樣:根據(jù)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL264—2001)自由吸水法的步驟,先將水浸沒試件1/3的位置,12 h后將水位加至2/3高度,再過12 h后,使試件全部浸入水中,浸泡30 d后飽水試件制作完成.

2 試驗結(jié)果與分析

自然狀態(tài)下單軸壓縮所得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示,由聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測所得的載荷-時間-聲發(fā)射信號關(guān)系曲線如圖3所示,由電磁輻射系統(tǒng)測試所得的載荷-時間-電磁輻射信號關(guān)系曲線如圖4所示.從圖2～圖4可以看出,巖石的破壞特征曲線、聲發(fā)射和電磁輻射信號特征曲線都經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服和破壞4個階段:(1)壓密階段(OA段):在加載初期,不同含水狀態(tài)砂巖原有微裂隙逐漸閉合,巖石被壓密,全應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了上凹型;由于巖石內(nèi)部裂隙閉合、壓實等原因,該階段經(jīng)歷較長時間,不同含水狀態(tài)試樣的聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量都很小.不同于聲發(fā)射信號參數(shù),電磁輻射脈沖數(shù)和電磁輻射最大值在加載初期就出現(xiàn)較強(qiáng)信號,這是由于受載巖樣內(nèi)部顆粒的摩擦和裂紋擴(kuò)展引起的.(2)彈性變形與裂隙發(fā)展階段(AC段):巖石中存在的裂隙被壓密后,進(jìn)入彈性變形階段(AB段)該階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近直線型.隨后試樣內(nèi)部裂隙繼續(xù)穩(wěn)定萌生、擴(kuò)展(BC段),試樣的變形時間較短;該階段試樣變形總吸收能隨應(yīng)力的增加而增加,巖石內(nèi)部破裂活動增加,裂隙萌生和發(fā)育速度漸漸加快.聲發(fā)射活動在該階段都開始增加,電磁輻射脈沖值與最大值在一個固定值上下波動.(3)屈服階段(CD段):C點為巖石從彈性變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點,其應(yīng)力大小約為峰值強(qiáng)度的2/3,進(jìn)入該階段后,微裂隙擴(kuò)展速度加快,破裂不斷發(fā)展,該階段試樣裂隙迅速擴(kuò)展,試樣體積由壓縮變?yōu)閿U(kuò)容.聲發(fā)射信號隨著裂隙的產(chǎn)生與發(fā)展快速增加,逐漸趨于最大值,同時該過程中的電磁輻射脈沖數(shù)和電磁輻射最大值也在增加,在應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時,電磁輻射信號值也達(dá)到最大水平.(4)破壞后階段(D點以后段):達(dá)到峰值強(qiáng)度后,試樣內(nèi)部遭到嚴(yán)重破壞,裂隙快速交叉發(fā)展,形成宏觀破壞面,此時試樣承載能力急劇下降,對應(yīng)應(yīng)力迅速降低.在應(yīng)力到達(dá)峰值時,對應(yīng)聲發(fā)射(振鈴計數(shù)和能量)與電磁輻射(脈沖數(shù)和強(qiáng)度最大值)信號也達(dá)到最大值,隨后試樣應(yīng)力迅速降低,聲發(fā)射活動也隨之減小,電磁輻射信號開始減弱至消失.

圖2 自然狀態(tài)試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 自然狀態(tài)砂巖應(yīng)力-時間-聲發(fā)射特征曲線

圖4 自然狀態(tài)砂巖應(yīng)力-時間-電磁輻射參數(shù)特征曲線

通過分析比較單軸壓縮下巖石聲發(fā)射與電磁輻射信號特征結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在巖石被壓縮的過程中,電磁輻射信號出現(xiàn)的時間更早、更豐富且變化不大.說明電磁輻射信號的產(chǎn)生不僅僅與裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展有關(guān),還與壓電磁效應(yīng)以及巖石在破壞過程中內(nèi)部微粒的劇烈碰撞與摩擦密切相關(guān)[10].總的來說,在巖石被壓縮的過程中,聲發(fā)射與電磁輻射的信號特征曲線與巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有較好的一致性.因此,巖石破碎所產(chǎn)生的聲電信號可用來表示巖石在破壞過程中裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展規(guī)律.

3 不同含水狀態(tài)砂巖的聲電特性對比分析

3.1 不同含水狀態(tài)下的聲電特性分析

圖5、圖6分別為累計聲發(fā)射參數(shù)和累計電磁輻射參數(shù)隨時間的變化曲線.由圖5和圖6的受載過程可知,試樣釋放的聲發(fā)射信號和電磁輻射信號和不同含水狀態(tài)有密切關(guān)系,即隨著試件含水程度的增加,砂巖的聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)、累計能量和電磁輻射累計脈沖數(shù)、累計最大值都變小,這是因為水分子進(jìn)入巖石顆粒間的間隙會削弱粒間的聯(lián)結(jié),使得含水狀態(tài)巖石強(qiáng)度發(fā)生降低,巖樣在破裂時所需的能量減少,加載過程中對應(yīng)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號和電磁輻射信號也減小.

圖5 聲發(fā)射參數(shù)隨時間變化曲線

圖6 電磁輻射參數(shù)隨時間的變化曲線

3.2 聲電特性對比分析

表3為不同含水狀態(tài)試樣在破壞各階段產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴計數(shù)和電磁輻射脈沖數(shù)所占比例,從表3可以看出:隨著試樣的含水狀態(tài)由干燥變?yōu)樽匀?、飽?壓密、彈性階段的聲發(fā)射振鈴計數(shù)所占比例增加,屈服、破壞階段減少,且電磁輻射脈沖數(shù)所占比例也在壓密階段增加,破壞階段減小,說明巖石破壞各階段聲電信號計數(shù)與含水狀態(tài)密切相關(guān).

表3 聲發(fā)射振鈴計數(shù)和電磁輻射脈沖數(shù)各階段所占比例統(tǒng)計

圖7、圖8分別為不同含水狀態(tài)下砂巖應(yīng)力-時間-聲電信號參數(shù)特征曲線.從圖7可以看出,3種狀態(tài)下的砂巖在加載初始時聲發(fā)射信號特征值都比較低,但干燥試樣在彈性階段后期就產(chǎn)生了比較強(qiáng)的聲發(fā)射信號,而自然狀態(tài)試樣則是到了屈服階段才有這種現(xiàn)象產(chǎn)生,飽水試樣則是在接近峰值點時才有明顯的聲發(fā)射信號.這是因為干燥試樣呈現(xiàn)更強(qiáng)的脆性,內(nèi)部微裂隙積累的彈性能在彈性階段后期隨著裂隙的破裂擴(kuò)展而釋放出來,形成了較強(qiáng)的聲發(fā)射信號,而水的存在削弱了巖石的脆性,導(dǎo)致這一現(xiàn)象延遲出現(xiàn).由圖8可知,電磁輻射脈沖數(shù)和能量最大值在加載初期就具有一定的強(qiáng)度,隨后無明顯增長趨勢,直至試件破壞達(dá)到峰值.對比圖7和圖8可以看出,整個加載過程中聲發(fā)射信號與電磁輻射信號并非一一對應(yīng),這說明聲發(fā)射信號和電磁輻射信號來源不完全相同.而不同含水狀態(tài)砂巖的聲發(fā)射與電磁輻射信號有著明顯差異,即干燥試樣的聲電信號比自然與飽水狀態(tài)更加密集.因此,根據(jù)不同含水狀態(tài)砂巖受載變形破壞過程中不同階段的聲電信號特征和規(guī)律,可以預(yù)測現(xiàn)場工程中含水巖體的失穩(wěn)過程,提供更加全面的理論指導(dǎo).

圖7 不同含水狀態(tài)砂巖應(yīng)力-時間-聲發(fā)射參數(shù)特征曲線

圖8 不同含水狀態(tài)砂巖應(yīng)力-時間-電磁輻射參數(shù)特征曲線

4 結(jié)論

1)在巖石單軸壓縮破壞過程中,聲發(fā)射與電磁輻射信號的特征曲線與巖石全應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線具有較好的一致性.因此,可以將巖石加載過程中產(chǎn)生的聲電信號曲線作為巖石內(nèi)部裂隙演化規(guī)律的體現(xiàn),并將聲發(fā)射與電磁輻射信號當(dāng)作巖石破壞失穩(wěn)的判定依據(jù).

2)試樣在靜載荷作用下產(chǎn)生的聲發(fā)射信號、電磁輻射信號強(qiáng)度與不同含水狀態(tài)有著密切關(guān)系，達(dá)到飽和狀態(tài)時，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和電磁輻射累計脈沖數(shù)最小.

3)試樣由干燥狀態(tài)變成自然狀態(tài)和飽水狀態(tài),在壓密、彈性階段的聲發(fā)射振鈴計數(shù)所占總計數(shù)的比例逐漸增加,而屈服、破壞階段則逐漸減少.

4)巖石破碎過程中聲發(fā)射信號與電磁輻射信號并非完全對應(yīng),聲發(fā)射信號隨著載荷的增加而增強(qiáng),而電磁輻射信號在加載初期就有一定的強(qiáng)度,中后期無明顯增長趨勢,直到試件破壞時信號強(qiáng)度突增到峰值.