袁兆廷

(中鐵二十四局集團(tuán)南昌鐵路工程有限公司 江西南昌 330002)

1 引言

巖石層狀特征是由于地質(zhì)作用導(dǎo)致巖體呈現(xiàn)非均一性排布，部分巖體層狀特性呈現(xiàn)傾角分布，因此力學(xué)性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生巨大差異。對于層狀巖石的研究，McLamore[1]開展了巖石在不同層狀與圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)，提出一種用來描述層狀巖石強(qiáng)度性質(zhì)的新準(zhǔn)則；JAEGER[2]在研究中提出單弱面理論并發(fā)現(xiàn)帶有層狀傾角巖石的單軸抗壓強(qiáng)度總小于完整巖石。隨著后續(xù)研究的深入，TIEN等[3-4]基于前人的研究準(zhǔn)則預(yù)制了不同傾角的層理巖石，分析傾角對巖石強(qiáng)度的影響，并提出相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則。國內(nèi)學(xué)者張東明等[5]基于X射線衍射技術(shù)對層理巖石進(jìn)行斷層掃描測試，分析了在單軸壓縮下巖石能量耗散演化規(guī)律；陳子全等[6]通過常規(guī)單、三軸壓縮試驗(yàn)，研究層理方向及含水率對千枚巖儲(chǔ)能和釋能機(jī)制的影響；王曉雷等[7]通過片麻巖進(jìn)行不同層理性質(zhì)研究，探究不同傾角對巖石破壞的影響；曾立兵[8]利用MTS landmark動(dòng)態(tài)電液伺服測試系統(tǒng)進(jìn)行石灰?guī)r單軸循環(huán)荷載作用下疲勞試驗(yàn)。

聲發(fā)射是指材料中局部受到里的作用后快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[9]。聲發(fā)射技術(shù)可為巖石破壞損傷過程中提供試驗(yàn)與數(shù)值分析提供不了的重要信息[10]。王林均[11]等通過對砂巖和花崗巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石顆粒膠結(jié)強(qiáng)度等微觀性能對聲發(fā)射能量和計(jì)數(shù)有很大影響；孟令超[12]等開展單軸壓縮及聲發(fā)射測試試驗(yàn)，獲取了兩種巖石的強(qiáng)度及變形特性，并對其脆性大小進(jìn)行定量評價(jià)。因此，利用聲發(fā)射技術(shù)可有效揭示層狀層理對千枚巖力學(xué)性質(zhì)的影響。但目前關(guān)于不同層狀千枚巖破壞過程的聲發(fā)射特征研究鮮有報(bào)道。

為探究層狀結(jié)構(gòu)對千枚巖破壞過程中力學(xué)性質(zhì)的影響，本文制備了水平、45°、豎直三種典型層狀千枚巖試樣，開展單軸壓縮條件下不同層狀千枚巖破壞過程的聲發(fā)射試驗(yàn)，分析不同層狀千枚巖破壞過程中破壞特征和聲發(fā)射數(shù)量及能量演化規(guī)律，研究結(jié)果可為層狀千枚巖巖體破壞機(jī)制提供參考依據(jù)。

2 不同層狀千枚巖聲發(fā)射試驗(yàn)

2.1 巖樣制備

為探究層狀千枚巖破壞過程的聲發(fā)射特征，制備三種典型層狀千枚巖，如圖1所示。巖樣制備過程嚴(yán)格遵照國際巖石力學(xué)規(guī)范要求:高100 mm、直徑50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。

圖1 三種層狀結(jié)構(gòu)千枚巖

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用長春市展拓試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的ZTRE-210微機(jī)控制巖石三軸測試系統(tǒng)和美國物理聲學(xué)公司(PAC)所生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備，聲發(fā)射傳感器為NANO-30型(信號頻率范圍為100～400 kHz)。

首先在聲發(fā)射系統(tǒng)中建立一個(gè)與試樣同等大小的模型，然后根據(jù)模型將聲發(fā)射探頭用膠帶固定在試樣對應(yīng)點(diǎn)上，再通過電腦端調(diào)整試樣參數(shù)，最后對試樣進(jìn)行加載。先對試樣進(jìn)行預(yù)壓加載(2 kN)，然后通過荷載控制以500 N/S的加載速率加載試樣至彈性變形階段時(shí)，再以變形方式來控制加載(加載速率為0.02 mm/min)直至試樣破壞。試驗(yàn)過程中，為保證結(jié)果的可靠性，每種層狀千枚巖至少進(jìn)行三次加載試驗(yàn)。試樣模型及加載裝置如圖2所示。

圖2 試樣模型及加載裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同層狀千枚巖強(qiáng)度及變形特征分析

不同層狀千枚巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。黑色、紅色和藍(lán)色線分別為軸向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變和體積應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系。應(yīng)變大于零和小于零分別代表應(yīng)變收縮和膨脹。

圖3 不同層狀結(jié)構(gòu)千枚巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在加載初期，水平層狀千枚巖表現(xiàn)出明顯線彈性特征，彈模約為1.31×104MPa。在屈服階段，巖石開始逐漸破壞，但仍具有一定的承載力，其抗壓強(qiáng)度到達(dá)低點(diǎn)后受持續(xù)施加的荷載作用反而呈現(xiàn)上升態(tài)勢。在持續(xù)加載后，巖石被壓密后裂紋逐漸擴(kuò)展后失穩(wěn)，此時(shí)抗壓強(qiáng)度小于完整巖石的峰值強(qiáng)度。

45°層狀千枚巖在豎向變形時(shí)與一般巖石相一致，彈性模量約為1.61×104MPa。體積應(yīng)變及環(huán)向應(yīng)變呈現(xiàn)先收縮后膨脹的特性，剪切裂紋從試樣中間薄弱面開始擴(kuò)展。試樣在加載過程中由于剪切力的原因，產(chǎn)生了薄弱部位內(nèi)部空隙的收縮現(xiàn)象。而在部分學(xué)者看來[13]，巖石受到剪切作用時(shí)，斜向45°層狀試樣受影響最大。

與水平層狀試樣類同，在初始加載階段豎直層狀試樣呈現(xiàn)線彈性特征，彈模約為5.56x104MPa。塑性階段，試樣表面裂紋慢慢出現(xiàn)，環(huán)向應(yīng)變逐漸增大，體積應(yīng)變表現(xiàn)為先收縮后膨脹特征。由于該類巖石豎向剛度較小，受壓后內(nèi)部孔隙不斷被壓密導(dǎo)致體積收縮。當(dāng)巖石內(nèi)部出去壓密狀態(tài)時(shí)，軸向應(yīng)變發(fā)展受到抑制，這也就導(dǎo)致了環(huán)向應(yīng)變的突增。

3.2 不同層狀千枚巖破壞過程聲發(fā)射特征分析

3.2.1 聲發(fā)射RA值特征

從圖4a可以看出，RA值在第一次破壞后更為活躍，可能是因?yàn)樵诩虞d初期，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)較完整，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。隨著荷載的持續(xù)增加，巖石內(nèi)部裂紋開始發(fā)育。這也導(dǎo)致了聲發(fā)射RA值的逐漸活躍。由于經(jīng)歷過一次破壞，且荷載仍在增加，因此內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展和發(fā)育達(dá)到頂峰，此時(shí)RA值的活躍程度也明顯提高不少直至最終破壞。

從圖4b曲線中可以看出，45°層狀千枚巖聲發(fā)射RA值在試樣加載全過程均保持了較低水平的波動(dòng)。相較于水平層狀千枚巖，45°層狀巖石 RA值在前期較為活躍，可能是由于巖石層理構(gòu)造所導(dǎo)致。

圖4 不同層狀千枚巖RA值及應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線

3.2.2 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)特征

聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)是指越過門檻信號的振蕩次數(shù)，它能反映巖石內(nèi)部裂紋孕育發(fā)展情況的時(shí)序變化。從圖5a可發(fā)現(xiàn)，該試樣與大部分學(xué)者探究過的硬巖破壞形式不同，它并沒有呈現(xiàn)分階段進(jìn)行特征。RA值的出現(xiàn)比較平均，在試樣加載全過程均有產(chǎn)生。

從圖5b中可看出，在加載時(shí)間171 s，試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值后逐漸減小，此時(shí)試樣仍有一定的承載能力，表現(xiàn)出明顯的塑性特征?？烧J(rèn)為聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的突增對于試樣的塑性階段預(yù)警有著不錯(cuò)的效果。45°巖石瞬時(shí)振鈴計(jì)數(shù)的最大值在峰值強(qiáng)度之后，因此推測該類巖石最大裂紋的發(fā)生可能出現(xiàn)在抗壓極值之后。

圖5 不同層狀千枚巖振鈴計(jì)數(shù)-應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線

豎直層狀千枚巖在初始時(shí)刻較為平靜，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)幾乎不產(chǎn)生。在臨近破壞階段時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)逐漸變得活躍，在破壞時(shí)AE信號再次恢復(fù)平靜。在破壞后的塑性區(qū)振鈴計(jì)數(shù)再次活躍直至峰值?？梢钥闯雎暟l(fā)射信號的活躍區(qū)為該類巖石的塑性階段。可認(rèn)為其具有延時(shí)破壞的特征。

3.2.3 聲發(fā)射能量特征

聲發(fā)射能量特征可以用來反映應(yīng)巖石在受力過程中內(nèi)部能量釋放的強(qiáng)度。由圖6可知，水平層狀巖石累計(jì)能量在三種巖石中最高，且發(fā)射能量在巖樣受壓過程中均勻釋放。45°層狀試樣在加載全過程的能量釋放和振鈴計(jì)數(shù)增長規(guī)律保持一致，可分為線性增長、緩慢增長和快速增長三個(gè)階段。豎直層狀巖石在初始彈性階段保持平靜狀態(tài)，幾乎無能量釋放。隨著荷載持續(xù)施加，該巖樣能量開始釋放至極值。

圖6 聲發(fā)射累計(jì)能量、能量及應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線

4 結(jié)論

(1)層狀傾角不同對于千枚巖的抗壓強(qiáng)度及變形特性影響較大。45°層狀千枚巖在加載過程中其軸向變形、環(huán)向變形和體積應(yīng)變分別呈現(xiàn)收縮、先收縮后擴(kuò)張和先收縮后膨脹的特征。而水平層狀和豎直層狀試樣表現(xiàn)為收縮、擴(kuò)張和先收縮后膨脹的特征。

(2)三種不同層狀巖石的能量釋放均有所不同，該現(xiàn)象的出現(xiàn)均與千枚巖層狀結(jié)構(gòu)相關(guān)。且三種千枚巖在破壞前期都出現(xiàn)了不同程度聲發(fā)射累計(jì)能量的高位釋放現(xiàn)象。

(3)水平層狀和45°層狀千枚巖在加載全過程振鈴計(jì)數(shù)持續(xù)釋放，在臨近破壞階段時(shí)才突增。對于豎直層狀巖石其振鈴計(jì)數(shù)的產(chǎn)生主要發(fā)生在塑性及破壞階段，由于存在塑性區(qū)間作為緩沖區(qū)，因此聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)對豎直層狀軟巖的破壞有不錯(cuò)的預(yù)警效果。