王林均 張 搏 錢(qián)志寬 樂(lè)巧麗 洪京京

(貴州民族大學(xué)建筑工程學(xué)院 貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

巖石在各種應(yīng)力狀態(tài)下的破裂過(guò)程一直是巖石力學(xué)研究人員比較關(guān)心的問(wèn)題，對(duì)該問(wèn)題的研究隨著試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試手段的更新也不斷深化。最初的柔性試驗(yàn)機(jī)只能得到巖樣破壞的峰前曲線，剛性試驗(yàn)機(jī)的出現(xiàn)使得巖樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的獲取成為可能。而后出現(xiàn)的伺服控制試驗(yàn)機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖樣進(jìn)行復(fù)雜應(yīng)力邊界條件下的測(cè)試，如應(yīng)力松弛試驗(yàn)(Hudson， 1971)。在后來(lái)的研究中聲發(fā)射手段被廣泛應(yīng)用到巖石力學(xué)測(cè)試中，從而對(duì)巖樣受壓破裂過(guò)程中不同階段的聲發(fā)射特征進(jìn)行刻畫(huà)； 同時(shí)計(jì)算裂紋體積應(yīng)變也被引入用于描述破壞過(guò)程中的裂紋行為(Martin， 1993)。

為了監(jiān)測(cè)巖石在受力破壞過(guò)程中內(nèi)部的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，以X射線CT檢測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)等為代表的實(shí)驗(yàn)可視化技術(shù)在巖石力學(xué)試驗(yàn)中發(fā)揮了不可或缺的作用。利用X射線CT檢測(cè)技術(shù)可以更為直觀地看到巖石內(nèi)部的動(dòng)態(tài)破裂過(guò)程，聲發(fā)射則可以捕捉到采用常規(guī)CT檢測(cè)手段捕捉不到的微裂紋擴(kuò)展信息。巖石破裂過(guò)程中的聲發(fā)射現(xiàn)象是由于外力加載在巖樣中積聚的能量以彈性波形式釋放引起的(He et al.，2010)。聲發(fā)射這一探測(cè)手段可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地記錄巖石力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中巖樣內(nèi)部由于各種裂紋產(chǎn)生而引起的聲發(fā)射現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射數(shù)據(jù)的處理可以定量地分析巖石破裂演化過(guò)程。李庶林等(2004)利用剛性試驗(yàn)機(jī)對(duì)三山島金礦的不同巖樣(花崗巖、輝綠巖、灰?guī)r和片巖)進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并分析了聲發(fā)射事件數(shù)與應(yīng)力、時(shí)間之間的關(guān)系。由聲發(fā)射數(shù)據(jù)計(jì)算得到參數(shù)RA(Rising Time/Amplitude，上升時(shí)間與幅值之比)和AF(Average Frequency，平均頻率)還可用于區(qū)分不同裂紋類(lèi)型：剪切裂紋和張拉裂紋。研究發(fā)現(xiàn)張拉裂紋對(duì)應(yīng)的AF值比剪切裂紋要高，而RA值要低于剪切裂紋(Aggelis， 2011； Aggelis et al.，2013)。李術(shù)才等(2014)對(duì)砂巖巖樣在單軸壓縮條件下進(jìn)行電阻率和聲發(fā)射的聯(lián)合測(cè)試，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射響應(yīng)信息(振鈴計(jì)數(shù))和電阻率有很強(qiáng)的規(guī)律和互補(bǔ)性。Zhang et al. (2015)研究了鹽巖、花崗巖、大理巖試樣在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特征，并對(duì)不同巖樣在試驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量、空間分布、b值以及損傷變量進(jìn)行了定量或者定性分析，得出了鹽巖的變形破壞過(guò)程更加平緩穩(wěn)定。Turichshev et al. (2016)研究發(fā)現(xiàn)在三軸壓縮條件下含有巖脈的完整巖石樣品中聲發(fā)射產(chǎn)生(起始于裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展點(diǎn))要滯后于不含巖脈的完整巖石樣品(起始于巖樣擴(kuò)容點(diǎn))。楊振琦等(2016)通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)觀察了不同層理傾角的黑云變粒巖的聲發(fā)射時(shí)間時(shí)空分布特征，并且采用盒維數(shù)和聲發(fā)射能量進(jìn)行了定量分析，得出聲發(fā)射事件的時(shí)空分布規(guī)律受層理傾角的影響與不同的破裂模式相關(guān)。韓偉歌等(2017)將聲發(fā)射定位、振鈴計(jì)數(shù)和CT掃描結(jié)合起來(lái)分析了延長(zhǎng)組致密砂巖試樣在三軸壓縮條件下的破裂過(guò)程。焦永俊等(2017)利用真三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)花崗巖樣品進(jìn)行雙面剪切試驗(yàn)，并分析了由于法向應(yīng)力改變引起不同破壞形式而造成的峰值頻率的差異。孫雪等(2018)利用聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率分析了三軸壓縮條件下北山花崗巖的損傷特性及演化規(guī)律，并將振鈴計(jì)數(shù)率和能量累計(jì)數(shù)與巖石受壓變形的5個(gè)階段對(duì)應(yīng)起來(lái)。林冠宇等(2018)對(duì)三軸循環(huán)荷載作用下不同含水率巖石破壞的聲發(fā)射參數(shù)特征方面進(jìn)行研究，并將巖石的破壞分為初始階段、勻速增長(zhǎng)階段和加速躍遷階段3個(gè)階段。郝以瑞等(2018)采用聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)定義的損傷變量反映了常規(guī)壓縮下砂巖的損傷演化過(guò)程。王春來(lái)等(2018)分析了單軸壓縮條件下不同硬巖(中砂巖、粉砂巖、花崗巖)在各應(yīng)力水平的b值演化規(guī)律。

前人利用聲發(fā)射開(kāi)展的研究工作形式多樣，分析使用的聲發(fā)射參數(shù)也不盡相同，在這里不再一一引用和贅述。單軸壓縮條件下巖石的破壞過(guò)程是研究其他各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖石力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)，因此本文著眼于最簡(jiǎn)單的單軸壓縮受力狀態(tài)，針對(duì)兩種有代表性的脆性巖石樣品(花崗巖試件G1、G2、G3和砂巖試件S1、S2、S3)進(jìn)行聲發(fā)射測(cè)試，并結(jié)合力學(xué)參數(shù)(應(yīng)力、軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、體積應(yīng)力變、計(jì)算裂紋體積應(yīng)變)以及聲發(fā)射參數(shù)(累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)、累積聲發(fā)射能量、AF、RA、b值)對(duì)單軸壓縮條件下的變形破壞過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)地分析和討論，這對(duì)于研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖石的變形破壞過(guò)程十分必要。

1 巖樣說(shuō)明與試驗(yàn)設(shè)備

1.1 巖樣說(shuō)明

本研究所用花崗巖和砂巖試樣分別取自貴州省黔東南地區(qū)和六盤(pán)水地區(qū)，兩種巖石樣品均為脆性巖石。按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的建議方法和我國(guó)巖石力學(xué)試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)程，將試樣在室內(nèi)加工成為直徑50imm，高100imm的標(biāo)準(zhǔn)試樣(圖 1)。試件的幾何和物理性質(zhì)匯總見(jiàn)表 1。所有試件的含水率均為天然狀態(tài)下的含水率，沒(méi)有經(jīng)過(guò)干燥處理。

圖 1 花崗巖和砂巖試樣Fig. 1 Specimens of granite and sandstone

表 1 試件的幾何和物理性質(zhì)Table 1 Geometric and physical properties of the specimens

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

圖 2 GCTS RTR-2000高壓巖石三軸動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)Fig. 2 GCTS RTR-2000idynamic triaxial rock mechanics testing facility

圖 3 試件安裝Fig. 3 Experimental setup

2 聲發(fā)射參數(shù)

本文分析使用了累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)、累積聲發(fā)射能量、AF值、RA值和b值這些聲發(fā)射參數(shù)，下面將對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。聲發(fā)射計(jì)數(shù)指超過(guò)門(mén)檻信號(hào)的振蕩次數(shù)，用于聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)。累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)即將截止到某一時(shí)刻之前的所有聲發(fā)射計(jì)數(shù)進(jìn)行求和。聲發(fā)射能量指信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積，反映信號(hào)的強(qiáng)度。累積聲發(fā)射能量即將截止到某一時(shí)刻之前的所有聲發(fā)射能量進(jìn)行求和。超過(guò)門(mén)檻并使某一個(gè)通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號(hào)稱之為一個(gè)撞擊。它反映了聲發(fā)射活動(dòng)的總量和頻度，常用于聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)。AF值(平均頻率)是由超過(guò)門(mén)檻值的聲發(fā)射計(jì)數(shù)除以聲發(fā)射撞擊的持續(xù)時(shí)間計(jì)算得到，單位為kHz。RA值是由上升時(shí)間(RT，信號(hào)第一次越過(guò)門(mén)檻至最大振幅所經(jīng)歷的時(shí)間)除以聲發(fā)射信號(hào)的幅值而計(jì)算得到，其單位為μs·V-1。b值的定義為幅值分布的斜率，是裂紋狀態(tài)的一個(gè)有效指標(biāo)。較大的b值代表材料中主要產(chǎn)生的是微裂紋，而較小的b值則表示材料中宏觀裂紋居于主導(dǎo)地位。更為詳細(xì)的聲發(fā)射參數(shù)及其計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)Grosse et al.(2008)。

表 2 計(jì)算得到的花崗巖和砂巖試件巖石力學(xué)參數(shù)Table 2 Calculated geomechanical properties of the granite and sandstone specimens

Mean是指平均值； S.D. 代表標(biāo)準(zhǔn)差； C.O.V. 代表變異系數(shù)，用于比較測(cè)量尺度相差較大或者量綱不同的兩組數(shù)據(jù)的離散性

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本節(jié)將對(duì)花崗巖和砂巖試樣的力學(xué)特性和聲發(fā)射特性分別進(jìn)行分析。

3.1 力學(xué)特性

對(duì)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理后得到花崗巖和砂巖試樣的力學(xué)特性如表 2所示。其中σcc為裂紋閉合應(yīng)力，σci為起裂應(yīng)力，σcd為裂紋擴(kuò)展應(yīng)力(接近巖石的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度)，σf為最終的破壞應(yīng)力。其計(jì)算依據(jù)文獻(xiàn)(Martin et al.， 1994)中所示方法。從表中可以看出同一巖性的不同試件的變形參數(shù)彈性模量和泊松比離散性較小，而裂紋閉合應(yīng)力、起裂應(yīng)力、裂紋擴(kuò)展應(yīng)力和破壞應(yīng)力則離散性相對(duì)較大(砂巖試件的起裂應(yīng)力除外)。典型的試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線及應(yīng)力點(diǎn)的確定如圖 4所示，圖中沒(méi)有給出峰后曲線部分，其中裂紋體積應(yīng)變是由試件的體積應(yīng)變減去彈性應(yīng)變計(jì)算得到，具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)(Martin et al.， 1994)。

圖 4 典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及應(yīng)力點(diǎn)確定(以G2為例)Fig. 4 Typical stress-strain diagram and determination of the stress points(G2 as an example)

3.2 聲發(fā)射特性

圖 5 典型巖石試件聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig. 5 AE parameters and stress over time of typical rock specimensa. 花崗巖試件G1-累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)； b. 花崗巖試件G1-累積聲發(fā)射能量； c. 砂巖試件S3-累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)； d. 砂巖試件S3-累積聲發(fā)射能量。實(shí)線為聲發(fā)射參數(shù)，虛線為應(yīng)力

首先比較一下兩種巖性巖石試樣累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)以及累積聲發(fā)射能量的變化規(guī)律。這里分別選取兩個(gè)典型試樣進(jìn)行比較(圖 5)。從累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)時(shí)間曲線圖 5a和圖5c中可以看出： (1)花崗巖樣品在達(dá)到峰值前聲發(fā)射現(xiàn)象較少，而在接近峰值時(shí)聲發(fā)射大量發(fā)生； (2)砂巖樣品在加載初期就有較多聲發(fā)射信號(hào)，而后聲發(fā)射量減少，再接近峰值時(shí)聲發(fā)射量陡增。從累積聲發(fā)射能量時(shí)間曲線圖 5b和圖5d中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的規(guī)律：(1)花崗巖樣品在峰值前聲發(fā)射釋放出來(lái)的能量較少，而在達(dá)到峰值及峰后有大量聲發(fā)射能量釋放； (2)砂巖樣品的聲發(fā)射能量在加載初期就有大量釋放，而后聲發(fā)射能量釋放處于較低的水平，在達(dá)到峰值時(shí)又有大量聲發(fā)射能量釋放。雖然這兩種巖石單軸抗壓強(qiáng)度都較高(除一個(gè)砂巖樣品外，其余均超過(guò)了100iMPa)，但表現(xiàn)出來(lái)的破裂過(guò)程卻不盡相同。究其原因可能是因?yàn)槠洳煌某梢颍?(1)花崗巖屬于火成巖，其顆粒間的結(jié)合較為牢固，所以只有當(dāng)應(yīng)力超過(guò)顆粒的膠結(jié)強(qiáng)度才會(huì)形成裂紋； 而且其結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻，不同局部發(fā)生破壞的時(shí)間相差不多，因此聲發(fā)射現(xiàn)象才會(huì)在應(yīng)力達(dá)到試件峰值強(qiáng)度時(shí)大量產(chǎn)生，能量也在此時(shí)大量釋放。(2)砂巖屬于沉積巖，其顆粒間的結(jié)合較為薄弱，且結(jié)構(gòu)不均，因此在加載初期當(dāng)局部應(yīng)力超過(guò)該部位顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度時(shí)就會(huì)有微裂紋產(chǎn)生，從而產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。這些相對(duì)薄弱的部位裂紋產(chǎn)生以后會(huì)有一個(gè)平穩(wěn)期，最后應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生宏觀裂紋，又會(huì)有聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生。

然后對(duì)花崗巖試件G1與砂巖試件S3的AF及RA值隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行分析。圖 6和圖7分別給出了G1和S3單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程AF和RA值隨時(shí)間的變化，圖6a、 圖6b、 圖7a、 圖7b中的數(shù)據(jù)點(diǎn)代表了該時(shí)刻的AF和RA值，曲線則是由連續(xù)30個(gè)的AF和RA值的平均數(shù)得到。因?yàn)锳F和RA值的數(shù)據(jù)點(diǎn)比較密集，圖 6和圖7c分別單獨(dú)給出了兩個(gè)試件的應(yīng)力時(shí)間曲線作為參照。Aggelis et al.(2011)在文獻(xiàn)中指出對(duì)于混凝土類(lèi)材料張拉裂紋引起的聲發(fā)射信號(hào)的AF值要大于300ikHz，同時(shí)RA值要低于500iμs·V-1。AF和RA值可用于區(qū)分不同的裂紋模式。根據(jù)圖 6a，在應(yīng)力峰值點(diǎn)以前，試件G1的AF值基本在300ikHz以上； 在應(yīng)力峰值點(diǎn)以后，試件G1的AF值基本在300ikHz以下。從圖 6b 可以看出，試件G1的RA值都在10i000iμs·V-1以上。根據(jù)圖 7a，試件S3的AF值基本大于300ikHz。但從圖 7c可以看出，試件S3發(fā)生了脆性破壞，破壞時(shí)間較短。因此可以認(rèn)為試件S3的AF值在應(yīng)力峰值點(diǎn)之前基本大于300ikHz。根據(jù)圖 7b，試件S3與G1類(lèi)似，RA值也都在10i000iμs·V-1以上。試件G1和S3破壞后的圖像如圖 8所示：試件G1除一條主剪切裂縫外，還有一些沿軸向的張拉裂縫； 試件S3的剪切裂縫面處有一些巖粉，說(shuō)明剪切裂縫在形成后，受荷載作用剪切面發(fā)生摩擦錯(cuò)動(dòng)。因?yàn)槿狈?yīng)力峰值點(diǎn)前后試件中裂紋類(lèi)型的判別，對(duì)于花崗巖和砂巖試件是否可以使用AF以及RA閾值來(lái)判斷剪切和張拉裂紋，以及如果可以，AF和RA的閾值應(yīng)為多少尚有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。這對(duì)于需要區(qū)分對(duì)待張拉裂縫和剪切裂縫的情況很有必要。

圖 6 花崗巖試件G1聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig. 6 Time history of AE parameters and stress of granite specimen G1a. AF值； b. RA值； c. 應(yīng)力

圖 7 砂巖試件S3聲發(fā)射參數(shù)與應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig. 7 Time history of AE parameters and stress of sandstone specimen S3a. AF值； b. RA值； c. 應(yīng)力

圖 8 試件G1和S3破壞后圖片F(xiàn)ig. 8 Images of specimens G1 and S3 after failure

最后分析兩種巖性巖石樣品在不同應(yīng)力階段的b值變化規(guī)律(圖 9)。圖中的應(yīng)力水平為當(dāng)前應(yīng)力和峰值應(yīng)力的百分比值。花崗巖樣品的b值在峰值應(yīng)力前保持在較高的水平，變化并不明顯，在接近峰值應(yīng)力時(shí)下降，說(shuō)明在峰值前微裂縫活動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位，而在峰值應(yīng)力時(shí)宏觀裂縫占據(jù)主導(dǎo)地位。砂巖樣品在峰值應(yīng)力的60%時(shí)達(dá)到極小值點(diǎn)，而后持續(xù)上升在應(yīng)力水平90%時(shí)達(dá)到極大值點(diǎn)，在峰值應(yīng)力水平處再次下降。根據(jù)砂巖試件S3的b值變化規(guī)律，砂巖試件在破壞前微裂縫活動(dòng)仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖 9 b值變化規(guī)律Fig. 9 Evolution of b value

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)花崗巖和砂巖試樣在單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，并對(duì)聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)于同一巖性的巖石樣品，彈性模量、泊松比這兩個(gè)與變形相關(guān)的力學(xué)參數(shù)離散性較小，而與強(qiáng)度相關(guān)的應(yīng)力參數(shù)的離散性很大。

(2)聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量在很大程度受到巖石樣品的顆粒膠結(jié)強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)的均勻性等微觀性能的影響。

(3)對(duì)巖石類(lèi)材料而言，需要通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)采用AF和RA值來(lái)區(qū)分巖石類(lèi)材料張拉和剪切裂紋模式的合理性及其閾值。

(4)砂巖樣品在接近破壞時(shí)，微裂縫活動(dòng)仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。