陳　康

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院)

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紅砂巖單軸壓縮與短時(shí)蠕變破壞聲發(fā)射試驗(yàn)

陳康

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院)

摘要巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)下，其聲發(fā)射特征有所區(qū)別，研究對(duì)比單軸壓縮和蠕變2種狀態(tài)下巖石的聲發(fā)射特征對(duì)預(yù)測(cè)巖石破壞具有重要意義。通過(guò)進(jìn)行紅砂巖單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)和分級(jí)加卸載短時(shí)蠕變破壞聲發(fā)射試驗(yàn)，對(duì)比分析了2種狀態(tài)下聲發(fā)射事件率和振幅的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：聲發(fā)射事件率在蠕變破壞和單軸壓縮破壞過(guò)程中總體規(guī)律相近；在單軸壓縮破壞過(guò)程中在加載早期振幅較大，之后有所減小，直至破壞前增大明顯，然而在蠕變破壞過(guò)程中，振幅在進(jìn)入蠕變破壞加速階段和破壞前均有明顯增大的趨勢(shì)?？梢?jiàn)，相對(duì)于聲發(fā)射事件率，振幅在一定程度上可作為蠕變破壞與單軸壓縮破壞的聲發(fā)射判據(jù)。

關(guān)鍵詞紅砂巖單軸壓縮破壞短時(shí)蠕變聲發(fā)射事件率振幅

20世紀(jì)30代末，Obert、Duvall發(fā)現(xiàn)巖石在受壓過(guò)程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在聲發(fā)射[1]活動(dòng)，并將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到巖爆與礦柱穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)作為一種巖石無(wú)損監(jiān)測(cè)方法，不僅能實(shí)時(shí)反映巖石微裂紋的演化行為，從而對(duì)巖石發(fā)生災(zāi)變進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，而且還提供了估測(cè)地應(yīng)力的方法，因此得到了廣泛應(yīng)用，成為研究巖石損傷和破壞機(jī)理的有力工具[2-3]。陳宇龍等[4]對(duì)比分析了砂巖在初始?jí)好?、彈性變形、?yīng)變硬化、應(yīng)變軟化等4個(gè)階段的聲發(fā)射特征；蘇承東等[5]研究了砂巖在單三軸壓縮過(guò)程中的聲發(fā)射特征；趙奎等[6]研究了不同應(yīng)力水平條件下砂巖蠕變聲發(fā)射頻率特征；曹樹(shù)剛等[7]對(duì)具突出煤樣單軸壓縮下的全應(yīng)力-應(yīng)變、蠕變破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特征進(jìn)行了對(duì)比研究。由此可見(jiàn)，關(guān)于巖石單軸壓縮聲發(fā)射方面的研究成果豐碩，關(guān)于巖石蠕變破壞聲發(fā)射方面的研究成果則相對(duì)較少。巖石聲發(fā)射的產(chǎn)生與巖石的蠕變損傷有關(guān)，但兩者間的量化關(guān)系尚未構(gòu)建，如何更好地利用聲發(fā)射信號(hào)對(duì)蠕變破壞行為進(jìn)行分析，采用聲發(fā)射對(duì)巖石蠕變破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，值得深入探究[8]。本研究根據(jù)龔囪等[9]所做的紅砂巖分級(jí)加卸載條件下的短時(shí)蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，設(shè)計(jì)與之條件相近的紅砂巖單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，對(duì)比分析2種試驗(yàn)條件下紅砂巖的聲發(fā)射事件率和振幅的變化規(guī)律及特征，討論2種應(yīng)力狀態(tài)下聲發(fā)射參數(shù)的異同點(diǎn)，為確定巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)下的聲發(fā)射判據(jù)提供參考，為預(yù)測(cè)巖石破壞形式提供新的思路。

1試驗(yàn)系統(tǒng)與方案

1.1試驗(yàn)系統(tǒng)

本研究采用與文獻(xiàn)[9]相同的試驗(yàn)系統(tǒng)，壓力系統(tǒng)為RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，由中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制，聲發(fā)射系統(tǒng)為SAEU2S數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)，由北京聲華興業(yè)科技有限公司研制。其中，壓力系統(tǒng)最大荷載為1 000 kN，活塞行程50 mm，機(jī)架剛度5 MN/mm。聲發(fā)射系統(tǒng)為多通道聲發(fā)射系統(tǒng),可實(shí)時(shí)采集聲發(fā)射信號(hào)。

1.2試驗(yàn)方案

本研究所用試件為紅砂巖，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10]，巖石經(jīng)鉆取、切割和打磨之后，制備成6件標(biāo)準(zhǔn)試件(50 mm×100 mm(直徑×高度))。經(jīng)測(cè)量，試件的平均密度2 335 kg/m3，縱波波速2 505 m/s，含水率0.96%。本研究單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)采用的加載方式為力控制，加載速率0.5 kN/s，聲發(fā)射門(mén)檻值為50 dB，采樣率為1 Mpbs，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程采集聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射傳感器用膠布固定于試件中部，采用硅膠作為耦合劑。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1單軸壓縮聲發(fā)射特征

聲發(fā)射事件率和振幅是常用的參數(shù)，事件率通常以1秒為1個(gè)計(jì)數(shù)單位，振幅通常用單位(dB)表示。該2個(gè)參數(shù)在分析巖石損傷方面有重要的參考價(jià)值，因此研究事件率和振幅在蠕變狀態(tài)和單軸壓縮狀態(tài)下的變化特征對(duì)于研究巖石的損傷過(guò)程和破壞機(jī)理具有重要的意義。由圖1可知：大部分的砂巖變形特征基本相近，均經(jīng)歷初始?jí)好堋椥宰冃?、?yīng)變硬化、應(yīng)變軟化等4個(gè)階段[11]，在該4個(gè)階段中，巖石的聲發(fā)射特征各不相同[12]。

圖1　單軸壓縮狀態(tài)下應(yīng)變、聲發(fā)射參數(shù)與時(shí)間關(guān)系

本研究所用的6件紅砂巖樣品試件在加載初期便開(kāi)始產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。在初始?jí)好茈A段聲發(fā)射事件率大，振幅相對(duì)較小，在該階段中，巖石中的節(jié)理和原生裂紋等逐漸被壓密，裂隙的粗糙面被擠壓而產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，隨著應(yīng)力的增大，試件內(nèi)部節(jié)理和原生裂紋充分壓密，成為1個(gè)彈性體，進(jìn)入彈性變形階段，在該過(guò)程中由于試件體積不斷減小，聲發(fā)射事件率減小，振幅也較小。當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增大，應(yīng)變?cè)龃蟮乃俣茸兙?，進(jìn)入應(yīng)變硬化階段，此時(shí)聲發(fā)射信號(hào)增強(qiáng)，事件率逐漸增大，振幅驟然增加，在該過(guò)程中，試件內(nèi)部逐漸產(chǎn)生宏觀裂隙，并隨著應(yīng)力的增加，裂紋擴(kuò)展直至貫通匯合，形成斷裂面。最后試件進(jìn)入應(yīng)變軟化階段，事件率達(dá)到最高值，振幅略有下降。在試件破壞后的一段時(shí)間內(nèi)，巖石仍具有一定的承載力，此時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱，聲發(fā)射事件率驟減，振幅也隨之變小。

2.2蠕變聲發(fā)射特征

巖石蠕變曲線(xiàn)根據(jù)應(yīng)變速率的不同，其蠕變過(guò)程可分為減速蠕變、等速蠕變、加速蠕變等3個(gè)階段[13]。龔囪等[9]所做的分級(jí)加卸載條件下紅砂巖短時(shí)蠕變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)了在第5級(jí)加載過(guò)程中出現(xiàn)加速階段。因此，本研究利用第5級(jí)加載過(guò)程中的聲發(fā)射事件率和振幅曲線(xiàn)圖(圖2)描述巖石蠕變破壞過(guò)程中的聲發(fā)射事件率和振幅的變化特征。

圖2　蠕變狀態(tài)下應(yīng)變、聲發(fā)射參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系[9]

由圖2(a)可知，試件在前2個(gè)階段(減速階段、等速階段)，聲發(fā)射事件率隨著時(shí)間的增大而減小，在減速階段初期相對(duì)較大，之后逐漸下降；在加速階段，聲發(fā)射事件率在初期略有增大，之后開(kāi)始減小，最后在破壞前十?dāng)?shù)秒，聲發(fā)射事件率驟然增大，直至破壞。

由圖2(b)可知，在減速階段初期，振幅在初期相對(duì)較大，之后隨著時(shí)間的增大而減小，達(dá)到一定范圍后維持相對(duì)不變；在等速階段，振幅基本不變，在接近加速階段時(shí)，振幅增大明顯，在進(jìn)入加速階段初期，振幅增大仍然明顯，之后有一定程度的減小，在臨近破壞時(shí)，振幅驟然增大，直至破壞?？傮w上看，振幅在加速階段的均值大于減速階段和等速階段。

由于紅砂巖內(nèi)部存在原生裂紋、節(jié)理、層理等軟弱結(jié)構(gòu)面，因而在加載過(guò)程中，原始裂紋閉合與新的裂紋的形成、擴(kuò)展都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。在單軸壓縮與蠕變2種應(yīng)力狀態(tài)下，紅砂巖均有明顯的應(yīng)力-應(yīng)變階段，聲發(fā)射參數(shù)的階段性變化特征較明顯。

3結(jié)論

(1)2種應(yīng)力狀態(tài)下紅砂巖試件在早期均出現(xiàn)了聲發(fā)射活動(dòng)，反映了裂隙、節(jié)理閉合的影響，隨著時(shí)間的變化，聲發(fā)射事件率較加載初期有所下降，在臨近破壞時(shí)，聲發(fā)射事件率和振幅均增大明顯。

(2)2種應(yīng)力狀態(tài)下紅砂巖試件的聲發(fā)射事件率和振幅的峰值分布均可與應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)有較好對(duì)應(yīng)。

(3)在整個(gè)蠕變破壞過(guò)程中，聲發(fā)射事件率在減速階段初始值較大，之后隨著時(shí)間的增大不斷減小，直至加速階段，在試件破壞前十?dāng)?shù)秒驟然增大。然而在單軸壓縮破壞過(guò)程中，聲發(fā)射事件率在第1階段初始值較大，之后在短期內(nèi)聲發(fā)射事件率隨試件的增大而減少，減少至一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，最后在即將破壞前聲發(fā)射事件率才不斷增大，且增大的速率不斷變大，直至破壞。

(4)振幅在蠕變破壞全過(guò)程起始階段相對(duì)較大，之后略有減少，減少至一定范圍后并維持在一定水平，直至進(jìn)入加速階段和破壞階段時(shí)才明顯驟增。然而在單軸壓縮破壞過(guò)程中，振幅在前期也相對(duì)較大，但之后隨時(shí)間的增大總體上有所減小，直至破壞前振幅才明顯增大。

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Acoustic Emission Tests of Uniaxial Compressive Failure and Short-term Creep Compressive Failure of Red Sandstone

Chen Kang

(School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology)

AbstractThe acoustic emission characteristics of rock under different stress conditions are different.Analyzing the acoustic characteristics of rock under uniaxial compression and creep compression is of great significance to predict the rock failure.The acoustic tests of uniaxial compressive failure and creep compressive failure by using step loading and unloading method are done to analyze the changing rule of acoustic emission rate and amplitude of red sandstone under the two states.The results show that the changing rules of acoustic emission rate under the uniaxial compressive failure and creep compressive failure are similar;the acoustic emission amplitude is large in the initial stage during the uniaxial compressive failure,then,it is inclined with time increasing and finally,it is increased again significantly before the specimen failure,however,during the creep failure,the acoustic emission amplitude is increased during the creep failure step into acceleration phase and before the specimen failure.Based on the above analysis results,it can be inferred that compared with the acoustic emission rate,the acoustic emission amplitude can be taken as the criterion of red sandstone under uniaxial compressive failure and creep compressive failure to some extent.

KeywordsRed sandstone, Uniaxial compressive failure, Short-term creep, Acoustic emission rate, Amplitude

(收稿日期2015-11-01)

陳康(1989—)，男，碩士研究生，341000 江西省贛州市章貢區(qū)客家大道156號(hào)。