王其勝,萬國(guó)香,李夕兵

（1.嘉應(yīng)學(xué)院土木工程系,廣東 梅州 514015;

2.嘉應(yīng)學(xué)院物理與光信息科技學(xué)院,廣東梅州 514015;

3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083）

1 引 言

當(dāng)巖石、混凝土等脆性材料受外力或內(nèi)力作用時(shí),在變形和破裂過程中伴隨著聲、電磁、光等物理現(xiàn)象,其中以彈性波形式釋放的應(yīng)變能現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（acoustic emission,AE）。聲發(fā)射作為一種無損檢測(cè)技術(shù),是研究脆性材料失穩(wěn)破壞演化過程的良好工具,能夠?qū)r石等脆性材料內(nèi)部損傷的產(chǎn)生和擴(kuò)展進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其破壞位置的定位,這是其他任何監(jiān)測(cè)方法都不具有的優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于巖石、混凝土等材料的破壞研究。真正意義上的聲發(fā)射研究以1953年德國(guó)物理學(xué)家Kaiser所做的工作為標(biāo)志。之后,人們對(duì)不同載荷下巖石破裂過程中的聲發(fā)射及其應(yīng)用開展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究,取得了豐碩的成果[1-3]。

大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,巖石破裂的聲發(fā)射特征是與巖石性質(zhì)、加載條件等密切相關(guān)的。V.Rudajev等[4]通過對(duì)單軸壓縮條件下巖石的聲發(fā)射研究,認(rèn)為聲發(fā)射時(shí)間系列參數(shù)包含了有關(guān)應(yīng)力率和巖石破裂階段的重要信息,這些參數(shù)顯示出了穩(wěn)定的前兆特征。李庶林等[5]對(duì)單軸壓縮下巖石的聲發(fā)射研究結(jié)果表明,在彈性階段的初期和后期,隨著應(yīng)力水平的增加,巖石聲發(fā)射顯著增加,特別在彈塑性高應(yīng)力階段,巖石聲發(fā)射增長(zhǎng)迅速;巖樣在實(shí)驗(yàn)接近峰值強(qiáng)度時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力增長(zhǎng)速度減小,聲發(fā)射事件率出現(xiàn)明顯下降,即出現(xiàn)相對(duì)平靜階段;聲發(fā)射事件率在不同應(yīng)力水平變化很大,峰值強(qiáng)度后的聲發(fā)射現(xiàn)象仍然明顯,其聲發(fā)射特征隨巖樣破壞形式的不同而不同。L.G.Tham等[6]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),單軸拉伸下巖石聲發(fā)射特征可分為3個(gè)階段:（1）隨機(jī)分布的聲發(fā)射信號(hào),（2）破裂帶的出現(xiàn),（3）主破裂的發(fā)生,并且花崗巖的微破裂聚結(jié)現(xiàn)象比大理巖更加明顯,非均質(zhì)性的差異是導(dǎo)致拉應(yīng)力下巖石聲發(fā)射特征不同的主要原因。張流等[7]的研究結(jié)果表明,低圍壓易于產(chǎn)生張性破裂,張性破裂會(huì)伴隨較高的聲發(fā)射率,主破裂后聲發(fā)射很少;隨著圍壓的提高,剪切破裂占主導(dǎo)地位,使得聲發(fā)射率降低,但破裂后聲發(fā)射率保持較高的水平。

綜觀以上這些研究,基本上是基于材料受靜應(yīng)力下的聲發(fā)射,雖然也有一些研究者考慮了不同圍壓下材料的聲發(fā)射[8-14],但都沒有進(jìn)行動(dòng)靜組合加載下巖石的聲發(fā)射研究。本文中在霍普金森實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行聲發(fā)射實(shí)驗(yàn),對(duì)于純動(dòng)載下的聲發(fā)射作者已經(jīng)另作研究,在此基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)靜組合加載下聲發(fā)射能量特征進(jìn)行詳細(xì)深入的分析。

2 靜載下巖石的聲發(fā)射

為了與動(dòng)載組合加載下巖石聲發(fā)射相對(duì)比,在INST RON1342型液壓伺服剛性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上,采用PCI-2型聲發(fā)射儀進(jìn)行單軸壓縮下的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)。試樣材料選用完整性和均勻性均較好的花崗巖,制備試樣的巖塊在取材、巖層分布上都力求一致。按照單軸壓縮加載條件的要求,試樣的設(shè)計(jì)尺寸為:直徑50 mm,長(zhǎng)徑比為2。每個(gè)試樣端面和圓周都進(jìn)行仔細(xì)研磨,兩端不平行度小于0.02 mm,圓周與端面的不垂直度小于0.02 mm。

單軸靜載下聲發(fā)射能量隨應(yīng)力的變化如圖1所示。從圖1可以看出,在加載初期,有少量小能量的聲發(fā)射事件出現(xiàn),這是巖石內(nèi)部初始裂紋閉合產(chǎn)生的;在50～100 MPa時(shí),隨著應(yīng)力繼續(xù)增大,聲發(fā)射能量卻比較平穩(wěn),增大量較小,這對(duì)應(yīng)著巖石應(yīng)力應(yīng)變的彈性段,此時(shí)巖石內(nèi)部沒有出現(xiàn)大的裂紋;隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行,巖石過了彈性段,進(jìn)入損傷階段,在聲發(fā)射能量達(dá)到最大值時(shí),相比于彈性段,聲發(fā)射能量有一定的下降,然后,聲發(fā)射能量增加迅速,在應(yīng)力最高點(diǎn)附近,聲發(fā)射能量達(dá)到峰值,巖石發(fā)生破壞。值得說明的是,本文中聲發(fā)射能量并不是絕對(duì)能量,而是聲發(fā)射系統(tǒng)自身處理以后的相對(duì)能量,為量綱一量。在相對(duì)能量為零處,絕對(duì)能量并不為零,只是所對(duì)應(yīng)的能量值相對(duì)較小。

圖1 靜載下巖石聲發(fā)射能量隨應(yīng)力的變化Fig.1 AE energy of rock varied with stress under static load

3 動(dòng)靜組合加載巖石實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

經(jīng)過近3年的設(shè)計(jì)、安裝與改造,在原來SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加了軸向靜壓裝置,構(gòu)成了基于SHPB原理的動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)一步在該系統(tǒng)上安裝聲發(fā)射儀,動(dòng)靜組合加載條件下的聲發(fā)射采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 動(dòng)靜組合加載下巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of AE test device of rock under coupled static-dynamic load

3.2 實(shí)驗(yàn)方案和步驟

動(dòng)靜組合加載實(shí)驗(yàn)方案分2種進(jìn)行:第1種方案采用相同沖擊動(dòng)載,不同軸向靜載。實(shí)驗(yàn)步驟如下:（1）確定一沖擊動(dòng)載水平,采用半正弦波作為加載波形,選定沖擊氣壓和沖頭沖擊速度;（2）將聲發(fā)射探頭安裝在試件上,做好探頭與試件間的潤(rùn)滑;（3）放置試樣于應(yīng)力傳遞裝置的2根彈性桿之間,啟動(dòng)聲發(fā)射采集系統(tǒng);（4）施加預(yù)定軸向靜載,并記錄對(duì)應(yīng)的軸向載荷的聲發(fā)射信號(hào);（5）靜載加到預(yù)定值,停止聲發(fā)射采集,數(shù)據(jù)存盤后,重新啟動(dòng)聲發(fā)射儀,等待觸發(fā);（6）啟動(dòng)沖頭發(fā)射機(jī)構(gòu),發(fā)射沖頭,聲發(fā)射和應(yīng)變儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集信號(hào)、存盤。第2種方案采用相同軸向靜載,不同沖擊動(dòng)載。該方案的實(shí)驗(yàn)步驟與方案1大部分相同,只是保持軸向靜載不同,每次改變沖擊動(dòng)載。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 相同動(dòng)載不同靜載下花崗巖聲發(fā)射

實(shí)驗(yàn)采用的沖擊動(dòng)載為200 MPa,軸向靜載σa=27,54,72,90 MPa（分別相當(dāng)于試樣靜壓強(qiáng)度峰值的25%、50%、67%、84%）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每組測(cè)試重復(fù)5個(gè)試樣。

相同動(dòng)載不同靜載下花崗巖聲發(fā)射能量隨時(shí)間的變化如圖3所示,圖中分別給出了軸向靜壓為27、54、72、90 MPa,動(dòng)載為200 MPa下聲發(fā)射能量的變化。從圖 3可以看出,在90 μs（此時(shí)為峰值應(yīng)力）時(shí),有一個(gè)很大的聲發(fā)射能量出現(xiàn),在這個(gè)最大值（峰值）之前大的聲發(fā)射信號(hào)幾乎沒有,這是由于沖擊載荷速度很快,在應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí),小裂紋來不及發(fā)展,當(dāng)沖擊載荷達(dá)到一定值時(shí),巖石產(chǎn)生大的裂紋,聲發(fā)射探頭捕捉到這個(gè)信號(hào),就出現(xiàn)了圖中的能量峰值。在峰值能量之后,巖石強(qiáng)度達(dá)到了最大值,但并沒有完全破壞,還具有一定的承載能力,應(yīng)力波繼續(xù)在巖石內(nèi)部傳播,裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,直到最后完全破壞。

圖3 花崗巖在動(dòng)靜組合加載下聲發(fā)射能量變化Fig.3 AE energy variation of granite under coupled static-dynamic load

從圖3還可以看出,峰值能量后的第1個(gè)能量值與峰值能量基本屬一個(gè)量級(jí)（104）,能量繼續(xù)衰減后,沒有出現(xiàn)回升現(xiàn)象,這與另一種加載方式的能量特征是不同的。

需要說明的是,盡管SHPB力學(xué)系統(tǒng)與聲發(fā)射采集系統(tǒng)的采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間并不一一對(duì)應(yīng),但是從信號(hào)產(chǎn)生到結(jié)束,兩者所對(duì)應(yīng)的總時(shí)間長(zhǎng)是相等的,這樣經(jīng)過計(jì)算得到,在應(yīng)力峰值的附近,聲發(fā)射能量達(dá)到峰值。

動(dòng)靜組合加載條件下,在聲發(fā)射能量峰值出現(xiàn)之前,出現(xiàn)了不同程度的聲發(fā)射能量值。說明在預(yù)應(yīng)力作用下,加上動(dòng)載耦合作用,巖樣已經(jīng)有一定損傷,出現(xiàn)了裂紋。聲發(fā)射能量峰值前出現(xiàn)的聲發(fā)射信號(hào)（這里指能量峰前聲發(fā)射能量的最大值,為方便起見,下面稱為峰前聲發(fā)射能量）隨軸向靜載的變化如圖4所示,在靜載荷小于54 MPa時(shí),這個(gè)值隨著靜載的增大緩慢增大,在超過54 MPa時(shí),該值急劇增大。靜載小于54 MPa基本位于巖石彈性段,而超過54 MPa后巖石已經(jīng)進(jìn)入損傷階段,加上一個(gè)小的沖擊力巖石內(nèi)部就很容易出現(xiàn)較大裂紋,也就是說當(dāng)軸向靜載位于巖石彈性段巖石強(qiáng)度增強(qiáng),而靜載超過彈性段,巖石發(fā)生劣化使得裂紋提前出現(xiàn)。

花崗巖聲發(fā)射峰值能量隨軸向靜載的變化規(guī)律如圖5所示,從圖中可以看出,聲發(fā)射峰值能量隨軸向靜載增大而減小,這是由于軸向靜載對(duì)巖石產(chǎn)生了預(yù)損傷。

圖4 固定動(dòng)載不同靜載下花崗巖峰前聲發(fā)射能量隨軸向靜載的變化Fig.4 AE pre-peak energy variation with axial static load under fixed dynamic load and axial static load

圖5 相同動(dòng)載不同靜載下花崗巖聲發(fā)射峰值能量隨靜載的變化Fig.5 AE peak energy variation with static load under fixed dynamic load and different axial static load

3.3.2 相同靜載不同動(dòng)載下花崗巖聲發(fā)射

圖6 相同靜載不同動(dòng)載下花崗巖聲發(fā)射能量隨應(yīng)變的變化Fig.6 AE energy of granite varied with strain under fixed static pressure and different dynamic load

在固定預(yù)應(yīng)力、不同動(dòng)載下,花崗巖峰前聲發(fā)射能量值隨動(dòng)載應(yīng)變率的變化如圖7所示,從圖中可以看出,這個(gè)聲發(fā)射值隨動(dòng)載應(yīng)變率增大而下降,也就是說,提高沖擊載荷值并不能使巖石產(chǎn)生大的裂紋和損傷,相反,由于動(dòng)載應(yīng)變率的提高,巖石強(qiáng)度升高,使巖石在一開始不容易產(chǎn)生損傷。

聲發(fā)射峰值能量隨動(dòng)載應(yīng)變率的變化如圖8所示,從圖8可以看出,聲發(fā)射能量峰值隨巖石動(dòng)載應(yīng)變率增大而減小。入射應(yīng)力波速度越大,應(yīng)力波幅值越大,巖石受載后破碎程度就越大,這說明聲發(fā)射能量與巖石破碎的程度密切相關(guān),巖石破碎程度越大,其能量越小。

圖7 固定靜載不同動(dòng)載下花崗巖峰前聲發(fā)射能量隨動(dòng)載應(yīng)變率的變化Fig.7 AE pre-peak energy variation with dynamic strain rate under fixed static load and different dynamic load

圖8 固定靜載不同動(dòng)載下花崗巖聲發(fā)射峰值能量隨動(dòng)載應(yīng)變率的變化Fig.8 AE peak energy variation with dynamic strain rate under fixed static load and different dynamic load

4 能量規(guī)律與巖石破碎程度的關(guān)系

動(dòng)靜組合加載下花崗巖聲發(fā)射能量呈現(xiàn)出2種不同的特征。Ⅰ型特征和純動(dòng)載一樣,在聲發(fā)射能量峰值后出現(xiàn)了“拐點(diǎn)”,如圖6所示;Ⅱ型特征,聲發(fā)射能量達(dá)到峰值后開始減小,但并不像純動(dòng)載那樣立刻衰減到一個(gè)很小的值,衰減后的第1個(gè)值和峰值屬同一量級(jí)（104）,而且之后沒有出現(xiàn)“拐點(diǎn)”,如圖3所示。相同動(dòng)載不同靜載下,大部分巖樣聲發(fā)射規(guī)律屬于Ⅱ型特征;相同靜載不同動(dòng)載下,大部分巖樣聲發(fā)射規(guī)律屬于Ⅰ型特征。開始,我們認(rèn)為這可能是巖石的離散性導(dǎo)致的結(jié)果,然而通過對(duì)巖石破碎的塊度進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),不論何種加載條件,如果巖石受載后完全破碎,聲發(fā)射能量呈現(xiàn)Ⅰ型特征,如果巖石受載后沒有完全破碎,只是巖樣表面出現(xiàn)小裂紋,聲發(fā)射能量呈現(xiàn)Ⅱ型特征。這說明動(dòng)靜組合加載下巖石聲發(fā)射能量規(guī)律與巖石破碎程度關(guān)系密切。在實(shí)驗(yàn)中,我們發(fā)現(xiàn),相同動(dòng)載不同靜載下,大部分巖樣只是表面出現(xiàn)了裂紋;相同靜載不同動(dòng)載下,大部分巖樣完全破裂,這就能解釋為什么2種加載方案出現(xiàn)2種不同的能量特征。

在實(shí)驗(yàn)過程中,有些巖樣沖擊后仍然保持完好,并沒有發(fā)生破裂,這種情況也探測(cè)到了豐富的聲發(fā)射信號(hào),而且聲發(fā)射峰值能量甚至比破裂巖石所記錄到的值更大。如采用沖擊載荷為2 MPa時(shí),編號(hào)為10-2的混合花崗巖仍然完整,其聲發(fā)射峰值能量為48 245,而破裂巖石的聲發(fā)射峰值能量基本在4 000以下。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,動(dòng)靜組合加載下巖石聲發(fā)射能量所呈現(xiàn)的Ⅱ型特征,事實(shí)上是巖石存在預(yù)損傷情況下應(yīng)力波信號(hào)的反映。

W.Goldsmith等[15]對(duì)大理巖、玄武巖等火成巖及一些沉積巖、變質(zhì)巖和混凝土桿,用圓球沖擊的研究結(jié)果表明:當(dāng)沖擊速度大于某一值時(shí)應(yīng)力波即產(chǎn)生衰減,衰減到一定幅值后,衰減隨傳播距離而顯著減小。K.O.Hakailehto[16]在他早期的博士論文中給出了應(yīng)力波在巖石中衰減的模型。他認(rèn)為:當(dāng)加載應(yīng)力大于巖石初始破裂應(yīng)力時(shí),巖石內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展將導(dǎo)致應(yīng)力波沿巖桿傳播時(shí)幅值的衰減,所以導(dǎo)致記錄到的聲發(fā)射值比未破裂巖石的值更小。

對(duì)于破碎巖石,聲發(fā)射能量之所以出現(xiàn)“拐點(diǎn)”,是由于一方面振動(dòng)信號(hào)在巖石內(nèi)部傳播發(fā)生衰減,當(dāng)巖石內(nèi)應(yīng)力達(dá)到一定的值時(shí),巖石產(chǎn)生了損傷,出現(xiàn)了與靜載一樣的大破裂聲發(fā)射信號(hào),這個(gè)信號(hào)和衰減后的振動(dòng)信號(hào)疊加在一起,就出現(xiàn)了“拐點(diǎn)”。

對(duì)于非完全破碎巖石,聲發(fā)射能量沒有出現(xiàn)“拐點(diǎn)”,而是在峰值后出現(xiàn)第2個(gè)僅次于峰值的能量高值。對(duì)于非完全破碎巖石,巖石中心部分仍然完整,沒有破碎,而巖石表面出現(xiàn)了較大裂紋,有些邊緣部分已經(jīng)剝落,這些較大的表面裂紋也會(huì)產(chǎn)生較大的聲發(fā)射信號(hào)。正因?yàn)閹r石沒有完全破壞,應(yīng)力波信號(hào)衰減幅度比完全破碎巖石要小得多,所有衰減后的應(yīng)力波信號(hào)和表面裂紋的信號(hào)疊加在一起就出現(xiàn)了第2個(gè)能量高值,并不出現(xiàn)“拐點(diǎn)”。對(duì)于沒有發(fā)生破裂的巖石,聲發(fā)射信號(hào)即是應(yīng)力波信號(hào)的反映,是否出現(xiàn)“拐點(diǎn)”或者第2個(gè)能量高值需要進(jìn)一步論證。

5 結(jié) 論

（1）巖石在動(dòng)靜組合加載下聲發(fā)射呈現(xiàn)出與靜載完全不同的規(guī)律,在聲發(fā)射能量峰值前聲發(fā)射信號(hào)較少,這是由于沖擊載荷速度太快,小裂紋來不及發(fā)展所致。（2）在動(dòng)靜組合加載下的聲發(fā)射能量呈現(xiàn)2種特征,與巖石破碎程度密切相關(guān)。加載后巖石基本完全破碎,則其聲發(fā)射能量呈現(xiàn)Ⅰ型特征;加載后巖石沒有完全破碎,則呈現(xiàn)Ⅱ型特征。（3）相同動(dòng)載不同靜載下,當(dāng)靜載荷小于54 MPa時(shí),聲發(fā)射峰前能量隨靜載的增大緩慢增大;當(dāng)靜載荷超過54 MPa時(shí),聲發(fā)射峰前能量急劇增大。聲發(fā)射峰值能量隨軸向靜載增大而減小,說明軸向靜載對(duì)巖石產(chǎn)生了預(yù)損傷。（4）相同靜載不同動(dòng)載下,聲發(fā)射峰前能量隨動(dòng)載應(yīng)變率增大而下降,也就是說提高沖擊載荷值并不能對(duì)巖石產(chǎn)生大的裂紋使巖石產(chǎn)生損傷,相反由于動(dòng)載應(yīng)變率的提高使得巖石強(qiáng)度升高;聲發(fā)射能量峰值隨巖石動(dòng)載應(yīng)變率增大而減小,對(duì)于完全破碎的巖石來說動(dòng)載應(yīng)變率越大,巖石越容易在應(yīng)力波達(dá)到幅值前發(fā)生破壞,而聲發(fā)射正是應(yīng)力波信號(hào)的一種反映,所以探測(cè)到的聲發(fā)射能量峰值越低。

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