王曉雷，蔣鵬程，閆順璽，詹思博，皇甫潤，王尚政

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山 063210)

隨著巖土工程向深部的推進，地下工程面臨高應(yīng)力等復(fù)雜賦存條件。在開挖過程中，巖石內(nèi)部應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋的擴展和貫通，巖石破裂失穩(wěn)，由此引發(fā)的災(zāi)害嚴重影響巖土工程的安全。因此，研究巖石破裂特征、前兆預(yù)警有重要意義。

巖石在應(yīng)力作用下發(fā)生錯動，產(chǎn)生的彈性波在介質(zhì)中傳播，以聲發(fā)射(acoustic emission，AE)信號的形式被監(jiān)測到，因此，聲發(fā)射可以監(jiān)測巖石內(nèi)部裂紋的發(fā)育、擴展情況，刻畫巖石破裂的孕育、發(fā)生過程。作為一種無損監(jiān)測手段，聲發(fā)射技術(shù)被廣泛運用于巖石損傷監(jiān)測，為巖石失穩(wěn)參數(shù)特征演化分析、前兆信息識別與災(zāi)害預(yù)警等研究提供了重要的數(shù)據(jù)[1-6]。但是，聲發(fā)射監(jiān)測手段對巖石表面裂紋演化的監(jiān)測效果較差，實際工程中，有時不僅需要知道預(yù)警時間，也需要知道預(yù)警位置。變形場能實時監(jiān)測巖石表面裂紋演化情況，可彌補聲發(fā)射在此方面的不足。變形局部化是巖石不穩(wěn)定的重要表現(xiàn)形式，同時也是巖石破壞的前兆[7]。許多學者就巖石的變形局部化進行了分析，諸如研究含預(yù)制裂紋試件的局部化演變過程[8-10]和沖擊荷載作用下砂巖的剪切局部化特征[11]等。

在巖石破裂失穩(wěn)的預(yù)警中，考慮到災(zāi)害發(fā)生的隨機性、突發(fā)性和影響因素的多樣性，多種手段聯(lián)合監(jiān)測已成為災(zāi)害預(yù)警的主要趨勢和途徑[12]。本文采用聲發(fā)射和變形場聯(lián)合監(jiān)測的方式進行片麻巖單軸壓縮試驗，分析兩種監(jiān)測手段與巖石破裂失穩(wěn)的聯(lián)系，提供一種更全面的預(yù)警方法。研究結(jié)果為實際工程巖體的穩(wěn)定性控制及防治提供理論依據(jù)。

1 聲發(fā)射和變形場聯(lián)合監(jiān)測試驗

1.1 試樣制備

試驗選用的片麻巖樣品為唐山市某礦區(qū)一種極具代表性的層狀巖石材料，巖樣如圖1所示，整體呈青灰色，表面分布不同寬度、深淺不一的條帶狀礦物，淺色部分粒狀變晶礦物以石英、長石等礦物為主，黑云母、角閃石等深色礦物在其中相間分布。巖石深淺礦物分布相對集中，巖樣整體呈現(xiàn)出深淺條帶狀相間排列的片麻狀構(gòu)造，條帶寬度區(qū)間為2～30 mm。取樣后經(jīng)過切割、打磨等工序，將樣品制成50 mm×50 mm×100 mm表面不平行度小于0.02的標準長方體樣品。試驗準備10塊片麻巖樣品，將樣品編號為PM-A，PM表示片麻巖，A表示第A號樣品。

圖1 片麻巖試樣

1.2 試驗方法

試驗系統(tǒng)主要由加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字散斑(digital image correlation，DIC)測量系統(tǒng)組成。

加載系統(tǒng)采用TAW-3000型剛性伺服試驗機(圖2)進行實驗加載和應(yīng)力數(shù)據(jù)收集工作，單軸軸向壓縮試驗加載采用位移控制方式，加載速率為0.002 mm/s，加載至試樣失去承載能力后停止加載。聲發(fā)射設(shè)備采用北京軟島DS5-16B型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是全局動態(tài)無損監(jiān)測，穩(wěn)定性好，靈敏度高，能實時監(jiān)測巖石內(nèi)部破裂信息。DIC測量系統(tǒng)采用美國CSI公司VIC-3D全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有非接觸性、無損測試、環(huán)境要求低、實驗過程可追溯可評估的優(yōu)點，可直接獲得全場應(yīng)變、位移、形貌等數(shù)據(jù)。

為減小試驗的離散程度，選擇層理均勻、結(jié)構(gòu)完整的試件。試驗前在試件觀測面繪制隨機散斑，將聲發(fā)射探頭固定在試件側(cè)面，布置位置如圖3所示。試驗開始時，將加載系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和DIC測量系統(tǒng)同時開啟，保證以統(tǒng)一的時間記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 試驗系統(tǒng)

圖3 聲發(fā)射探頭布置位置

圖4 PM-2累計振鈴計數(shù)曲線

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 聲發(fā)射振鈴計數(shù)

聲發(fā)射是指由于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而引起材料應(yīng)力突然重新分布，機械能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷?，產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射振鈴計數(shù)可反映巖石內(nèi)部破裂的強度和頻度，累計振鈴計數(shù)能反映聲發(fā)射信號的增長速率。巖石應(yīng)力-聲發(fā)射振鈴計數(shù)-時間三者的關(guān)系曲線如圖4所示，限于篇幅，僅列出較為典型的試件PM-2。應(yīng)力較低時，應(yīng)力曲線向上彎曲，當應(yīng)力增加到一定值后，曲線呈近直線，最后，曲線向下彎曲，曲線整體呈“S”形。由應(yīng)力曲線將巖石的變形分為壓密階段(Ⅰ)、彈性階段(Ⅱ)、塑性階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)四個階段。

壓密階段(Ⅰ，0～84 s)：試件中原有微裂紋或者張開性結(jié)構(gòu)面被壓密，形成早期的非線性變形，應(yīng)力曲線呈上凹型。由于片麻巖結(jié)構(gòu)較致密，加載過程中壓密階段持續(xù)時間較短，試件內(nèi)部沒有裂紋萌生或者裂紋尺度較小聲發(fā)射探頭無法接收，因此壓密階段監(jiān)測不到振鈴計數(shù)。

彈性階段(Ⅱ，85～278 s)：該階段載荷曲線呈近直線形，裂紋穩(wěn)定發(fā)展，并且有零星振鈴計數(shù)出現(xiàn)，表明隨著載荷增加，在外力作用下試件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋開始萌生、擴展。加載至第205 s時，累計振鈴計數(shù)曲線第一次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(點A)，作為啟動點，代表巖石處于裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段。

塑性階段(Ⅲ，279～328 s)：相較于彈性階段，此階段聲發(fā)射振鈴計數(shù)明顯增多，但仍維持在一個較低的水平。隨著應(yīng)力的增加，累計振鈴計數(shù)曲線持續(xù)上升，上升速度比較穩(wěn)定。

破壞階段(Ⅳ，329～363 s)：試樣承載力達到峰值后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，但試件基本保持整體狀，具有一定的殘余應(yīng)力。加載至第329 s時，應(yīng)力突降，振鈴計數(shù)出現(xiàn)激增，累計振鈴計數(shù)曲線以近豎直的形態(tài)陡升，上升幅度約占總振鈴計數(shù)的20%。定義此轉(zhuǎn)折點(點B)為巖石破裂預(yù)警點，代表巖石接近破壞。隨后應(yīng)力出現(xiàn)數(shù)次起伏波動，應(yīng)力突降時一般伴有振鈴計數(shù)激增，但增加量和應(yīng)力降幅無對應(yīng)關(guān)系。直至第363 s巖石失去承載能力，試件完全破壞。

綜上所述，在單軸壓縮荷載作用下，聲發(fā)射振鈴計數(shù)可表征巖石內(nèi)部狀態(tài)。定義累計振鈴計數(shù)曲線第一次出現(xiàn)斜率陡增(點B)作為巖石破裂預(yù)警點。結(jié)合所有試驗結(jié)果，預(yù)警點多出現(xiàn)在臨近峰值應(yīng)力之前。

2.2 變形場應(yīng)變均方差

雖然聲發(fā)射系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測巖石內(nèi)部破裂信息，但無法描述巖石表面裂紋的演化過程。目前對于巖石變形演化特征分析常采用數(shù)字散斑相關(guān)(DIC)測量方法，該方法是對全場位移和應(yīng)變進行量化分析的光測實驗力學方法。其原理是計算機將物體變形前后的圖像散斑進行對比，通過灰階找到圖像相關(guān)區(qū)域從而計算出物體表面位移和應(yīng)變分布。試樣每一個觀測點對應(yīng)此點的應(yīng)變值，計算應(yīng)變值的均方差，可得到應(yīng)變分布的離散程度。定義某時刻應(yīng)變場的均方差見式(1)。

(1)

(2)

計算試樣加載過程中的應(yīng)變場，用式(1)統(tǒng)計其主應(yīng)變場的均方差。限于篇幅，以PM-2試樣應(yīng)變均方差的演化曲線(圖5)為例。

圖5 PM-2應(yīng)變均方差曲線

從圖5中可以看出，巖石試樣的應(yīng)力曲線和應(yīng)變均方差曲線在時域上具有較好的對應(yīng)關(guān)系，由應(yīng)力曲線將巖石的變形分為壓密階段(Ⅰ)、彈性階段(Ⅱ)、塑性階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)四個階段。圖6中，應(yīng)變集中帶一般代表此處有裂紋出現(xiàn)，應(yīng)變值大小代表應(yīng)變的大小。

壓密階段(Ⅰ，0～84 s)：此階段試件原有微裂紋或者張開性結(jié)構(gòu)面被壓密，橫向膨脹較小。圖5應(yīng)變均方差整體偏小，選取第50 s應(yīng)變圖表現(xiàn)此階段應(yīng)變情況，由圖6可知，此階段變形場應(yīng)變分布比較均勻，且應(yīng)變值較小。

彈性階段(Ⅱ，85～278 s)：此階段裂紋穩(wěn)定發(fā)展，圖5加載至第209 s時，應(yīng)變均方差曲線第一次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(點C)，作為啟動點，代表巖石處于裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段。由圖6第209 s(點C)應(yīng)變圖可知，此時在巖石觀測面左上位置有應(yīng)變集中帶出現(xiàn)，之后此條帶處應(yīng)變值持續(xù)增大，代表此處裂紋持續(xù)發(fā)展。

塑性階段(Ⅲ，279～328 s)：此階段試件由體積壓縮逐漸轉(zhuǎn)為擴容，應(yīng)變均方差曲線以穩(wěn)定的速率增長，應(yīng)變值穩(wěn)定上升。選取第300 s應(yīng)變圖表現(xiàn)此階段應(yīng)變情況，由圖6可知，除了左上方原有裂紋持續(xù)發(fā)展外，正上方和右下方都出現(xiàn)應(yīng)變集中帶，即此處有裂紋出現(xiàn)，之后此處裂紋持續(xù)發(fā)展。

破壞階段(Ⅳ，329～363 s)：此階段裂隙發(fā)展速度較快，裂隙交叉、聯(lián)合形成宏觀斷裂面，巖石變形主要表現(xiàn)為沿著宏觀斷裂面的塊體滑移。圖5加載至第353 s時，應(yīng)力大幅度降低，應(yīng)變均方差曲線激增。定義此轉(zhuǎn)折點(點D)為巖石破裂預(yù)警點，代表巖石接近破壞。由圖6第353 s(點D)應(yīng)變圖可知，原有裂紋持續(xù)發(fā)展，正上和右下裂紋有貫通趨勢，應(yīng)變值持續(xù)增大。隨后巖石失去承載能力，試樣完全破壞。應(yīng)變集中帶位置與圖6破壞后圖像裂紋位置吻合，即應(yīng)變圖可描述巖石表面裂紋演化情況。

由圖6可知，巖石試樣發(fā)生局部變形后，應(yīng)變場分布特征為少數(shù)散斑(應(yīng)變集中帶內(nèi))的變形量遠大于其他散斑(應(yīng)變集中帶外)的變形量，導(dǎo)致應(yīng)變均方差曲線在第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段尤其是第Ⅳ階段的急劇上升。第Ⅳ階段為宏觀裂紋活動階段，從應(yīng)變演化的角度可理解為更加嚴重的局部變形階段，因此應(yīng)變均方差數(shù)值持續(xù)增加。

綜上所述，在單軸壓縮荷載作用下，變形場可有效表征巖石表面裂紋演化，且具有一定預(yù)警能力。定義應(yīng)變均方差曲線第一次出現(xiàn)斜率陡增(點D)作為巖石破裂預(yù)警點。結(jié)合所有試驗結(jié)果，預(yù)警點多出現(xiàn)在破壞階段。

圖6 變形場應(yīng)變演化云圖

3 聲發(fā)射與變形場聯(lián)合監(jiān)測

聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)能較好表征巖石內(nèi)部破裂情況，但無法描述巖石表面裂紋的演化過程；DIC測量方法能描述巖石表面裂紋的演化情況，但對巖石內(nèi)部破裂信息監(jiān)測效果較差。聲發(fā)射和變形場聯(lián)合監(jiān)測可進一步對預(yù)警指標提供理論依據(jù)。為了比較聲發(fā)射監(jiān)測與DIC測量兩種手段的預(yù)警效果，將聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)曲線和變形場應(yīng)變均方差曲線進行對比。同樣由應(yīng)力曲線將巖石的變形分為壓密階段(Ⅰ)、彈性階段(Ⅱ)、塑性階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)四個階段，如圖7所示。

圖7 PM-2累計振鈴計數(shù)和應(yīng)變均方差曲線

表1 片麻巖預(yù)警點處曲線上升幅度占總體比例

壓密階段(Ⅰ，0～84 s)：兩個預(yù)警參數(shù)量值較小，上升速度緩慢，不需要進行預(yù)警。

彈性階段(Ⅱ，85～278 s)：兩個預(yù)警參數(shù)皆出現(xiàn)啟動點，由圖7可知啟動點時間差別不大，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)啟動點(點A)稍早于變形場應(yīng)變均方差啟動點(點C)，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)曲線上升幅度小于應(yīng)變均方差曲線。

塑性階段(Ⅲ，279～328 s)：兩個預(yù)警參數(shù)曲線以穩(wěn)定的速率增長，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)上升速度大于變形場均方差曲線。

破壞階段(Ⅳ，329～363 s)：兩個預(yù)警參數(shù)曲線出現(xiàn)激增，激增處定義為預(yù)警點。統(tǒng)計所有試樣結(jié)果，整體上聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)預(yù)警點(點B)早于變形場應(yīng)變均方差預(yù)警點(點D)。聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)曲線上升幅度小于應(yīng)變均方差曲線上升幅度。預(yù)警點處聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)曲線上升幅度占總體的20%～50%，平均占比34.65%；應(yīng)變均方差曲線上升幅度占總體的25%～65%，平均占比41.15%。在實際工程巖體破裂預(yù)警時，由于監(jiān)測手段實時觀測，無法得知預(yù)警參數(shù)總體量值。但是相同地質(zhì)環(huán)境下巖體物理性質(zhì)差別不大，可根據(jù)經(jīng)驗估計總體占比。

綜上所述，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和變形場應(yīng)變均方差兩個參數(shù)曲線啟動點出現(xiàn)時間差距不大，預(yù)警點出現(xiàn)時間差距較大，總體上聲發(fā)射比變形場更早監(jiān)測到破裂信息。兩個預(yù)警參數(shù)曲線以近豎直斜率大幅上升時即可預(yù)警，聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)曲線上升幅度占總體的20%～50%，平均占比34.65%，應(yīng)變均方差曲線上升幅度占總體的25%～65%，平均占比41.15%。在時間上，聲發(fā)射整體早于變形場，但在空間上，變形場可實時觀測巖石表面裂紋演化情況。將兩種監(jiān)測手段聯(lián)合，能更全面了解工程巖體破裂情況，為實際工程巖體的穩(wěn)定性控制及防治提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

1) 聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)和變形場應(yīng)變均方差兩個參數(shù)曲線啟動點出現(xiàn)時間差距不大，預(yù)警點出現(xiàn)時間差距較大，總體上聲發(fā)射比變形場更早監(jiān)測到破裂信息。

2) 聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)曲線和應(yīng)變均方差曲線第一次以近豎直斜率大幅上升時即可預(yù)警，代表巖石即將破壞。聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)曲線上升幅度占總體的20%～50%，平均占比34.65%，應(yīng)變均方差曲線上升幅度占總體的25%～65%，平均占比41.15%。

3) 巖石破裂失穩(wěn)預(yù)警，在時間上聲發(fā)射比變形場更早觀測到，在空間上變形場可實時觀測巖石表面裂紋演化情況。將兩種監(jiān)測手段聯(lián)合，能更全面了解工程巖體破裂情況，為實際工程巖體的穩(wěn)定性控制及防治提供理論依據(jù)。