羅桂桃

（吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計院，江西吉安 343000）

0 引言

“深地、深海、深空”已成為國家重大戰(zhàn)略發(fā)展方向，我國對能源、資源的剛性需求將促使地下工程進(jìn)一步向深部發(fā)展[1]。在深部地下工程建設(shè)中面臨著極其復(fù)雜的地質(zhì)條件，巖爆、高地溫、突水突泥等災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和人員安全。在向深部巖土體開挖的過程中，地應(yīng)力是制約機械開挖效率的重要因素，由此引發(fā)的災(zāi)害造成嚴(yán)重的地下工程安全問題。例如：在高地應(yīng)力區(qū)域施工極易產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象[2]；在煤炭開采等地下工程中，頂板巖石冒落與拉應(yīng)力密切相關(guān)。因此研究深部巖土體的變形與破壞特征對于圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和加固具有廣泛的意義。

巖石內(nèi)部區(qū)域，由于變形和破裂的形成，伴隨著應(yīng)變能快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射[3]。聲發(fā)射是一種檢測巖石內(nèi)部裂紋發(fā)展情況，刻畫巖石破裂孕育、延伸、擴展、貫通的一種有效手段。作為一種無損傷檢測手段，聲發(fā)射被廣泛應(yīng)用于巖石損傷檢測，為巖石失穩(wěn)性參數(shù)特征演化分析以及災(zāi)害預(yù)警提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。巖石材料受力破壞過程中的聲發(fā)射特征有較多的基礎(chǔ)性研究，比較分析了復(fù)雜應(yīng)力加載路徑下巖石的變形破壞特征和聲發(fā)射規(guī)律。董志凱等[4]采用聲發(fā)射三維定位系統(tǒng)和顆粒流模擬軟件研究了單軸壓縮下大理巖的聲發(fā)射特征，以聲發(fā)射能量為依據(jù)指出大理巖的損傷過程分為初始損傷階段、損傷穩(wěn)定階段、損傷加速發(fā)展階段、損傷破壞階段。王創(chuàng)業(yè)等[5]基于頻譜分析理論，分析了砂巖單軸壓縮破壞過程的主頻變化特征和頻帶能量占比規(guī)律，結(jié)果表明在巖石破壞不同階段，主頻頻率變化特征不同，臨近破裂時聲發(fā)射主頻更加離散化。吳順川等[6]采用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)開展線/非線荷載接觸條件下低空隙率砂巖巴西劈裂試驗，結(jié)果表明巴西劈裂對荷載條件并不敏感。眾多國內(nèi)外學(xué)者對單軸、三軸、真三軸、巴西劈裂等不同應(yīng)力路徑下巖石的破壞特征和聲發(fā)射規(guī)律進(jìn)行了研究。

大部分研究只是單獨對某一種巖石進(jìn)行單一應(yīng)力路徑下聲發(fā)射特征的描述，對同一種巖石不同應(yīng)力路徑下破壞變形特征及其機理研究以及不同巖石同一應(yīng)力路徑下的巖石破壞聲發(fā)射特征研究的較少，沒有形成較為系統(tǒng)性的研究。本文采用聲發(fā)射技術(shù)，對4 種不同巖石在單軸壓縮和巴西劈裂兩種應(yīng)力路徑下的失穩(wěn)過程進(jìn)行了系統(tǒng)試驗研究，直觀反映不同巖性巖石內(nèi)部裂紋孕育、萌生、擴展、貫通的時空演化特征，分析在應(yīng)力發(fā)展過程中聲發(fā)射不同參數(shù)的演化規(guī)律，并結(jié)合不同巖石的結(jié)構(gòu)特征和礦物組分的差異性，從微觀層面對其破壞機制進(jìn)行分析，得到不同巖石不同應(yīng)力路徑下裂紋演化發(fā)展的三維時空規(guī)律，為地下工程圍巖結(jié)構(gòu)的支護(hù)設(shè)計、施工、加固、運營提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用4 種巖石：花崗巖、砂巖、大理巖、灰?guī)r，分別來自不同的產(chǎn)地，巖石試樣如圖1 所示。自然狀態(tài)下這四種巖石質(zhì)地均勻，肉眼無可見的缺陷。試驗主要包括單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗兩種試驗工況，根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，將兩種試驗工況下的巖石經(jīng)過切割、鉆取、磨平等工序分別加工為φ50×100 mm 的單軸壓縮圓柱樣和φ50×25 mm 的巴西劈裂圓盤樣。每種試驗工況下每種巖石試樣為3 件，即對于單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗而言，每種巖石進(jìn)行3 次重復(fù)試驗，以減小巖石非均質(zhì)性帶來的試驗誤差。單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗各采用12 個巖石試樣。

圖1 巖石試樣

1.2 力學(xué)試驗和聲發(fā)射監(jiān)測

采用TAW-2000 電液伺服巖石三軸試驗機進(jìn)行力學(xué)加載，巴西劈裂和單軸壓縮兩種工況均采用位移控制的方式進(jìn)行加載，加載速率均為0.05 mm/min，直至試樣破壞停止試驗。在巖石壓縮破壞和劈裂破壞的過程中利用聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備（AMSY-6）對這四種巖石進(jìn)行損傷破壞監(jiān)測。在每種試驗工況中將聲發(fā)射探頭以凡士林為耦合劑放置在合適、固定的位置，以減小試驗數(shù)據(jù)的偶然性和不確定性。聲發(fā)射監(jiān)測門檻值設(shè)置為40 dB，采集頻率為5 MHz，巖石在破壞過程中產(chǎn)生的信號經(jīng)過前置放大器放大后在單通道中進(jìn)行傳輸。

2 力學(xué)試驗結(jié)果與分析

不同巖性的巖石由于其形成機制不同，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物組成也會有較大的差別，例如：花崗巖堅硬致密，其力學(xué)強度相對較大；而砂巖顆?？障遁^大，往往形成的結(jié)構(gòu)不致密，導(dǎo)致其強度較小。如圖2所示，不同巖石巴西劈裂強度從大到小依次為花崗巖、灰?guī)r、砂巖和大理巖；單軸壓縮強度從大到小依次為花崗巖、灰?guī)r、砂巖和大理巖。巖石的單軸抗壓強度和巴西劈裂強度變化規(guī)律類似。其中以花崗巖的力學(xué)強度最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他巖石的力學(xué)性能，而灰?guī)r、大理巖和砂巖力學(xué)性質(zhì)相差不大。

圖2 不同巖石巴西劈裂和單軸抗壓強度

2.1 巴西劈裂試驗

一般巖石的變形可分為四個階段：壓密階段、彈性階段、塑性階段以及破壞階段[7]。圖3 為不同巖樣巴西劈裂應(yīng)力變化情況，對于巴西劈裂試驗而言，巖石變形發(fā)展趨勢并不符合這四個階段的變化趨勢，主要表現(xiàn)為非線性發(fā)展趨勢和線性變化兩個趨勢。在加載初始階段由于巖石內(nèi)部裂隙處于壓密階段，因此應(yīng)力表現(xiàn)為非線性變化，之后表現(xiàn)為線性變化。四種巖石都在150 s 以后發(fā)生破壞，花崗巖發(fā)生破壞時所用的時間最長，其次是砂巖，灰?guī)r和大理巖在200 s左右發(fā)生破壞。另外，四種巖石在發(fā)生破壞后大約50 s 左右又都出現(xiàn)一個“臺階式”應(yīng)力衰減階段，表明巖樣發(fā)生了二次破壞，且花崗巖二次破壞最為明顯，大理巖最弱。巖樣在不同工況下的應(yīng)力增長速率見表1，破壞速率指發(fā)生破壞前巖石平均應(yīng)力增長速率（即線性變化階段的增長速度），花崗巖的應(yīng)力變化速率最大為0.028 MPa/s，砂巖速率最慢，為0.01 MPa/s，灰?guī)r和大理巖的應(yīng)力變化速率相似。說明花崗巖的結(jié)構(gòu)致密，荷載增加速度快；而砂巖的顆?？紫遁^大，在荷載的作用下變形較大，荷載增加速度慢。

表1 巖樣在不同工況下的應(yīng)力增長速率（應(yīng)力破壞速率） MPa/s

圖3 巴西劈裂應(yīng)力隨時間變化曲線

2.2 單軸壓縮試驗

圖4 為單軸壓縮應(yīng)力隨時間變化曲線。單軸應(yīng)力狀態(tài)下，巖石變形基本符合壓密階段、彈性階段、塑性階段和破壞階段。4 種巖石都在700 s 以后發(fā)生破壞，在單軸壓縮過程中花崗巖達(dá)到破壞時所用時間最長，砂巖與花崗巖破壞時間幾乎相同，其次為灰?guī)r和大理巖。與其他三種巖石相比，大理巖發(fā)生破壞時應(yīng)力隨時間變化較為平緩，說明此時大理巖內(nèi)部應(yīng)變較為緩慢，出現(xiàn)了塑性形變。如表1 所示，就平均應(yīng)力增長速率而言，大理巖和花崗巖應(yīng)力變化速率相似，為0.05 MPa/s，砂巖速率最慢，為0.02 MPa/s。

圖4 軸壓縮應(yīng)力隨時間變化曲線

3 聲發(fā)射試驗結(jié)果與分析

3.1 巴西劈裂聲發(fā)射特征分析

如圖5 所示，在巴西劈裂實驗中，對于大理巖，隨著加載過程中應(yīng)力的上升，振鈴計數(shù)和能量計數(shù)幾乎無變化，撞擊計數(shù)在發(fā)生較小的波動變化并在塑性階段持續(xù)上升，并都在破壞時達(dá)到峰值，在塑性變形發(fā)生后，振鈴計數(shù)和撞擊計數(shù)還在隨之變化，并在二次破壞時又出現(xiàn)小的峰值，而能量計數(shù)無變化。對于花崗巖，破壞前撞擊計數(shù)出現(xiàn)波動并逐漸上升變大，同時振鈴計數(shù)在塑性階段出現(xiàn)小的波動變化，發(fā)生破壞時幾個參數(shù)都達(dá)到峰值，在二次破壞時也都出現(xiàn)了一個峰值。對于灰?guī)r，能量計數(shù)只在發(fā)生大破壞時出現(xiàn)峰值變化，而在其它情況下無變化，振鈴計數(shù)在加載初期出現(xiàn)波動變化，且在二次破壞時振鈴計數(shù)出現(xiàn)小峰值，撞擊計數(shù)出現(xiàn)了較大的峰值變化。對于砂巖，在發(fā)生破壞前振鈴計數(shù)和撞擊計數(shù)僅出現(xiàn)小的波動，破壞時達(dá)到峰值，二次破壞時能量計數(shù)和振鈴計數(shù)峰值反而變大。

圖5 巴西劈裂作用下應(yīng)力、振鈴計數(shù)、能量計數(shù)以及撞擊計數(shù)變化

以上結(jié)果表明，撞擊計數(shù)對于巖石的變形破壞反應(yīng)最為敏感，剛開始變形較小時，已經(jīng)出現(xiàn)震蕩的撞擊信號，隨著應(yīng)力的增大，撞擊計數(shù)逐漸增多，并在破壞那一刻達(dá)到峰值。另外，大理巖在塑性變形階段撞擊計數(shù)有較大幅度的變化，花崗巖在破壞后撞擊計數(shù)穩(wěn)定，二次破壞后達(dá)到最低峰，灰?guī)r和砂巖都在發(fā)生破壞后撞擊計數(shù)逐漸降低，二次破壞時又產(chǎn)生一個相對較大的峰值。在發(fā)生破壞時的大理巖的撞擊計數(shù)最大，灰?guī)r的撞擊計數(shù)最少。振鈴計數(shù)反映巖石內(nèi)部的破裂情況，在發(fā)生破壞時，振鈴計數(shù)都會有一個較大的突變峰值，且花崗巖和大理巖的峰值大于砂巖和灰?guī)r峰值。振鈴計數(shù)僅在發(fā)生大的變形破壞時才會產(chǎn)生變化，并且轉(zhuǎn)折點為巖石破壞的預(yù)警點。能量計數(shù)的變化趨勢與振鈴計數(shù)大致相似，只有砂巖和花崗巖在二次變形時出現(xiàn)能量計數(shù)峰值變化，且發(fā)生破壞時花崗巖和大理巖的能量大于砂巖和灰?guī)r能量值。

3.2 單軸壓縮聲發(fā)射特征分析

如圖6 所示，在單軸壓縮實驗中，對于大理巖，在壓縮破壞前，振鈴計數(shù)明顯發(fā)生較大的波動，能量計數(shù)出現(xiàn)較大的峰值波動，但不連續(xù)，撞擊計數(shù)也隨時間逐漸增多，在發(fā)生破壞時振鈴計數(shù)出現(xiàn)較大的峰值響應(yīng)，而能量計數(shù)變化不明顯，撞擊計數(shù)在整個破壞階段一直波動。對于花崗巖，在破壞前振鈴計數(shù)以及撞擊計數(shù)在隨時間發(fā)生變化，且撞擊計數(shù)波動幅度更大，但在塑性階段撞擊計數(shù)隨時間變小，而能量計數(shù)幾乎無變化，當(dāng)發(fā)生破壞時三者同時出現(xiàn)峰值。對于灰?guī)r，破壞前振鈴計數(shù)和撞擊計數(shù)都發(fā)生較大的波動，而能量計數(shù)相對波動較小，當(dāng)發(fā)生破壞時能量計數(shù)和振鈴計數(shù)出現(xiàn)明顯的峰值，而撞擊計數(shù)的峰值較小。對于砂巖，發(fā)生破壞前除撞擊計數(shù)和振鈴計數(shù)在塑性變形時波動不大，能量計數(shù)幾乎變化不明顯，當(dāng)發(fā)生破壞時，三者都出現(xiàn)較為明顯的峰值。

在單軸壓縮荷載作用下，振鈴計數(shù)和撞擊計數(shù)在巖石發(fā)生破壞前不同階段都有響應(yīng)，而能量計數(shù)僅在發(fā)生破壞時才有明顯的響應(yīng)，但對大理巖作用不明顯。四種巖石在發(fā)生破壞時對振鈴計數(shù)都有響應(yīng)，且大理巖、花崗巖和砂巖較為明顯；花崗巖對撞擊計數(shù)更為敏感，其次為大理巖和砂巖，最后為灰?guī)r。在發(fā)生單軸壓縮破壞過程中，對于花崗巖和砂巖，其聲發(fā)射參數(shù)隨巖石破壞較為一致，大理巖對振鈴計數(shù)和撞擊計數(shù)響應(yīng)較一致，灰?guī)r對能量計數(shù)響應(yīng)較敏感。

4 結(jié)論

（1）大理巖、花崗巖、灰?guī)r和砂巖的破壞特征不一致，花崗巖和灰?guī)r由于其脆性較強，其應(yīng)力變化特征和破壞形態(tài)具有典型的脆性巖石破壞特征；而大理巖塑性較強，其破壞特征不是很明顯。

（2）不同巖石在發(fā)生破壞時聲發(fā)射參數(shù)變化隨應(yīng)力變化較為一致，在應(yīng)力發(fā)展的不同階段中聲發(fā)射信號也不同。在劈裂和壓縮過程中，振鈴計數(shù)和撞擊計數(shù)對于巖石破壞的發(fā)生更為敏感?；◢弾r、灰?guī)r和大理巖的振鈴計數(shù)和撞擊計數(shù)變化明顯，砂巖的聲發(fā)射參數(shù)在巖石形變過程中并不明顯。

（3）能量在巖石形變過程中變化并不明顯，快速傅里葉變化分析表明巖石變形破壞過程中主要為低頻變化，能量變化與聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果一致；巖石塑性越強，振幅變化越明顯，并且形變過程中能量釋放越多。