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        類巖石材料變形損傷與波速關(guān)系試驗(yàn)研究

        2018-09-10 13:28:50張金浩陳洪凱王賀
        人民黃河 2018年7期

        張金浩 陳洪凱 王賀

        摘要:通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)合超聲波量測(cè),得到波速隨加載過(guò)程的變化值,以此定義類巖石材料的損傷點(diǎn)。試件在制作和成型過(guò)程中不可避免地存在初始損傷,將其定義為第一損傷點(diǎn);當(dāng)試件局部有裂紋出現(xiàn),波速隨應(yīng)變的增大陡然減小,將其定義為第二損傷點(diǎn);隨即利用超聲波儀器檢測(cè)該局部波速的變化,當(dāng)波速明顯急劇減小時(shí),說(shuō)明已經(jīng)達(dá)到損傷極限值,將其定義為第三損傷點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用分段曲線擬合,得到基于波速變化的損傷演變?cè)囼?yàn)?zāi)P汀?/p>

        關(guān)鍵詞:?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn);超聲波量測(cè);損傷點(diǎn);變形損傷;類巖石材料

        中圖分類號(hào):TU458

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.022

        大多數(shù)地下工程結(jié)構(gòu)(擋土墻、樁基礎(chǔ)、隧道襯砌)由類巖石材料構(gòu)成,其處于受壓狀態(tài),隨著壓力的施加,材料內(nèi)部易出 現(xiàn)微裂縫延伸和擴(kuò)展,造成損傷積累,最終出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn),導(dǎo)致工程整體發(fā)生破壞,甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此,開(kāi)展類巖石材料變形損傷檢測(cè)試驗(yàn)研究相當(dāng)重要。

        近年來(lái),超聲波技術(shù)以儀器體積小、操作簡(jiǎn)捷、判別缺陷清晰等優(yōu)點(diǎn),在檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷缺陷中得到了廣泛應(yīng)用。史瑾瑾等針對(duì)巖石試樣進(jìn)行了損傷沖擊試驗(yàn),探究了波速變化率與巖石試樣損傷程度之間的關(guān)系;張曉春等 利用小波變換分析巖石超聲波檢測(cè)信號(hào),了解到巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性和物理力學(xué)特性,建立了巖石超聲測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng);韓放等使用超聲波對(duì)巖石損傷擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè),利用檢測(cè)結(jié)果對(duì)巖石試樣的損傷程度進(jìn)行了定量分析;翟小潔等 通過(guò)超聲波對(duì)單軸壓縮試驗(yàn)中巖石擴(kuò)容現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)試,證明了不同巖石在單軸壓縮過(guò)程中擴(kuò)容的時(shí)間和程度存在差異;鄭志遠(yuǎn)等測(cè)量了超聲波在巖石中的傳播速度,對(duì)巖石成分、孔隙度、吸水量以及巖石溫度等參數(shù)對(duì)超聲波傳播速度的影響進(jìn)行了分析;梁天成等對(duì)巖樣進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn),實(shí)時(shí)測(cè)量了試件損傷過(guò)程中的超聲波波速和聲發(fā)射參數(shù),探討了損傷擴(kuò)展中波速與聲發(fā)射之間的變化規(guī)律:吳振祥等利用小波變換的多分辨率理論對(duì)不同循環(huán)次數(shù)下的巖石超聲波信號(hào)進(jìn)行分解變換,實(shí)現(xiàn)不同頻帶分量的獨(dú)立分析,提取隨損傷敏感變化的波譜參數(shù):李浩然等 通過(guò)單軸加載及循環(huán)荷載試驗(yàn),對(duì)鹽巖變形破壞特征及聲波、聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入研究;梁利喜等基于波動(dòng)理論和有限差分方法,進(jìn)行聲波透射數(shù)值模擬試驗(yàn),研究巖體孔洞形狀、尺寸、分布及密度對(duì)聲波衰減系數(shù)的影響;李成波等采用回歸分析方法建立了巖石介質(zhì)中彈性參數(shù)與波速的關(guān)系;許延春等 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M巖體裂隙及注漿過(guò)程,應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)測(cè)定巖體在不同裂隙寬度下的聲波傳播速度,并對(duì)比分析了巖體注漿前后、干式狀態(tài)及濕式狀態(tài)的波速變化規(guī)律;李浩然等利用巖石聲波系統(tǒng)研究了單軸荷載、循環(huán)荷載以及三軸壓縮試驗(yàn)中鹽巖的變形破壞特征與聲波、聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律;朱維等 通過(guò)數(shù)值模擬以及不同巖石的超聲檢測(cè)試驗(yàn),分析了巖石特性對(duì)編碼信號(hào)脈沖壓縮性能的影響。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,以類巖石試件損傷點(diǎn)為研究對(duì)象,利用單軸壓縮試驗(yàn)和超聲波檢測(cè)技術(shù),研究加載過(guò)程中超聲波波速的變化,分析試件的變形損傷演變過(guò)程。

        1試驗(yàn)?zāi)P偷慕?/p>

        模型材料普通硅酸鹽水泥、河砂、水的配合比為1:3:0.72,模型試件尺寸為150mm×150mm×150mm。試件成型后養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(28d)進(jìn)行試驗(yàn)。選擇試件的對(duì)稱面畫上網(wǎng)格線,以便于超聲波量測(cè)點(diǎn)對(duì)中,對(duì)稱面上布置的超聲波量測(cè)點(diǎn)Ll#~L7#是發(fā)射點(diǎn),Rl#~R7#是接收點(diǎn),見(jiàn)圖1。利用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-301多功能電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行巖石的單軸壓縮試驗(yàn),采用位移控制,中等位移速率為0.002mm/s,逐級(jí)施加荷載至試件破壞,每一級(jí)荷載增加量為1.5MPa,加載后保持1~2min,用DJUS-05非金屬超聲波儀對(duì)波速進(jìn)行量測(cè)。

        2試驗(yàn)結(jié)果分析

        如果假設(shè)巖石是由巖石母質(zhì)和微裂紋所組成的各向同性體,則可采用超聲波的波速來(lái)定義巖石的損傷

        。根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù),選取5個(gè)試件進(jìn)行分析,5個(gè)試件各測(cè)點(diǎn)在加載過(guò)程中波速與應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)圖2。

        測(cè)點(diǎn)1#、2#、3#的初始波速值比較接近,測(cè)點(diǎn)5#、6#、7#的初始波速值比較接近。原因是測(cè)點(diǎn)1#、2#、3#布置在試件的上半部分,測(cè)點(diǎn)5#、6#、7#布置在試件的下半部分,試件在成型過(guò)程中,由于拌制和振搗使得上半部分的砂漿因自重而向下半部分的微孔洞、氣孔滑移,另外試件上半部分在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中水分的蒸發(fā)量比下半部分大,導(dǎo)致上半部分的密實(shí)效果沒(méi)有下半部分好,因此測(cè)點(diǎn)1#、2#、3#的初始波速值比測(cè)點(diǎn)5#、6#、7#的初始波速值小。4#測(cè)點(diǎn)密實(shí)效果處于上、下半部分之間,因此會(huì)出現(xiàn)初始波速值不同于其他測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)象。

        整個(gè)波速與應(yīng)變曲線可分為4個(gè)區(qū),見(jiàn)圖3。

        (1)損傷彈性區(qū)。波速一應(yīng)變曲線平穩(wěn),波速變化不大。試件在制作和成型過(guò)程中不可避免地存在初始損傷(微裂隙、氣泡等),當(dāng)荷載較小時(shí),整個(gè)試件受力處于損傷彈性階段,卸載時(shí)損傷可以恢復(fù)。圖3中ε0對(duì)應(yīng)損傷彈性臨界點(diǎn),定義為第一損傷點(diǎn)。

        (2)損傷過(guò)渡區(qū)。繼續(xù)加載,試件表面局部出現(xiàn)裂紋,波速隨應(yīng)變的增大陡然減小,損傷不能恢復(fù),若停止加載,則裂紋擴(kuò)展中止。圖3中εc 對(duì)應(yīng)彈性損傷與塑性損傷分界點(diǎn),定義為第二損傷點(diǎn)。

        (3)損傷擴(kuò)展區(qū)。繼續(xù)施加荷載,損傷累積,表面裂紋開(kāi)始擴(kuò)展,波速隨應(yīng)變的增大明顯減??;試件內(nèi)部原有微裂縫發(fā)展延伸,導(dǎo)致微裂縫之間擴(kuò)展貫通,初始裂縫寬度顯著增大,裂縫擴(kuò)展極不穩(wěn)定,損傷區(qū)范圍擴(kuò)大,但還沒(méi)有發(fā)生失穩(wěn)破壞。圖3中εu對(duì)應(yīng)應(yīng)力峰值點(diǎn),定義為第三損傷點(diǎn)。

        (4)斷裂擴(kuò)展區(qū)。表面裂縫不斷擴(kuò)展,新的裂紋將沿著一條或多條薄弱的路徑逐漸貫通,超聲波的波速隨著應(yīng)變的增大驟然減小,試件由連續(xù)性介質(zhì)逐步變成不連續(xù)性介質(zhì),最終發(fā)展到全損傷狀態(tài),試件喪失承載能力發(fā)生破壞。

        綜上所述,利用波速的變化可以監(jiān)測(cè)試件的變形,試件局部出現(xiàn)裂紋表明材料已經(jīng)發(fā)生塑性損傷,此時(shí)利用超聲波儀器檢測(cè)波速的變化,當(dāng)波速急劇減小時(shí),說(shuō)明試件已經(jīng)達(dá)到損傷極限值,需要及時(shí)采取措施增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

        3損傷演變模型的建立

        將巖石視為各向同性,因此各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速隨應(yīng)變的變化是相同的。選取3#測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合,得到波速與應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式(見(jiàn)表1)。

        基于波速變化的損傷演變?cè)囼?yàn)?zāi)P蜑槭街校篴、b、c、d、e、f、g為曲線參數(shù),通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求得。

        式(1)需滿足連續(xù)性條件,將(ε0,v0)、(εc,vc)代人v=aε+b,整理得:

        4結(jié)語(yǔ)

        (1)將巖石視為各向同性,通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)合超聲波量測(cè),得到加載過(guò)程中波速的變化值,從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,所有試件具有相似的波速一應(yīng)變曲線。

        (2)根據(jù)波速一應(yīng)變曲線定義材料的損傷點(diǎn);試件在制作和成型過(guò)程中不可避免地存在初始損傷,為第一損傷點(diǎn);當(dāng)試件局部出現(xiàn)裂紋時(shí),表明結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生塑性損傷,定義為第二損傷點(diǎn);利用超聲波儀器檢測(cè)該局部波速,當(dāng)波速急劇減小時(shí),說(shuō)明已經(jīng)達(dá)到損傷極限點(diǎn),定義為第三損傷點(diǎn)。

        (3)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合,得到了基于波速變化的損傷演變?cè)囼?yàn)?zāi)P汀?/p>

        (4)超聲波頻率越高,探測(cè)距離越小,精度越高,用來(lái)檢測(cè)變形損傷是可行的。

        本次試驗(yàn)條件有限,采用水泥砂漿試件模擬巖石存在一定的局限性。今后將對(duì)不同巖石材料展開(kāi)試驗(yàn)研究,以獲取更為貼切的試驗(yàn)數(shù)據(jù),深入研究類巖石材料的變形損傷機(jī)理。

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