郭清露

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430072)

0 引言

2020年9月中國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)。包括地下抽水儲(chǔ)能、地下壓縮空氣儲(chǔ)能、地下儲(chǔ)熱和地下綜合儲(chǔ)能等工程在內(nèi)的地下儲(chǔ)能工程既能適合晝夜電能轉(zhuǎn)移,又能進(jìn)行負(fù)荷調(diào)峰,具有重大發(fā)展前景[1]。在地下儲(chǔ)能工程的開發(fā)利用中,地下深度的增加使得周圍巖體處于高地應(yīng)力、高溫、高水壓等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。其中,高溫會(huì)促使巖石(體)內(nèi)裂紋產(chǎn)生和發(fā)育,改變巖石內(nèi)裂紋尺寸和密度,從而使得巖石的物理力學(xué)性質(zhì)劣化。眾多學(xué)者對(duì)高溫后巖石的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究[2-4]。例如,夏小和等對(duì)高溫作用后大理巖進(jìn)行壓縮試驗(yàn)指出:隨著作用溫度升高,大理巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)有不同程度的降低。隨著力學(xué)參數(shù)的降低,工程巖體在高溫條件下的漸進(jìn)破壞過(guò)程越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視,也是目前亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

E Eberhardt等考慮到聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)、無(wú)損地監(jiān)測(cè)巖石內(nèi)部微裂紋的活動(dòng)情況,提出可以根據(jù)巖石在受壓漸進(jìn)破壞過(guò)程中不同變形階段的聲發(fā)射參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律來(lái)確定巖石的啟裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力[5]。趙興東等[6]對(duì)完整巖樣及含預(yù)制裂紋的巖樣進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn),利用聲發(fā)射定位技術(shù)研究了巖石破裂過(guò)程。

巖石的峰前漸進(jìn)破壞過(guò)程可以分為4個(gè)階段[7-8]:1)裂紋閉合階段;2)線彈性變形階段;3)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段;4)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段。C D Martin等將巖石變形與強(qiáng)度特征和巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育、發(fā)展和匯合過(guò)程聯(lián)系起來(lái),提出幾個(gè)表征巖石強(qiáng)度的特征值:裂紋閉合應(yīng)力σcc、啟裂應(yīng)力σci和損傷應(yīng)力σcd。本文將把聲發(fā)射定位的時(shí)空演化規(guī)律與巖石漸進(jìn)破壞的各個(gè)階段結(jié)合起來(lái),進(jìn)一步分析不同溫度作用后巖石漸進(jìn)破裂過(guò)程,以期為工程實(shí)踐提供借鑒。

1 聲發(fā)射定位原理

聲發(fā)射的定位算法很多,常見的有Geiger算法和單純形算法,本文采用聲發(fā)射系統(tǒng)配套軟件AEwin給定的非線性迭代算法進(jìn)行定位計(jì)算,其基本原理是經(jīng)過(guò)對(duì)聲發(fā)射到達(dá)各個(gè)探頭的時(shí)差、波速和探頭間距的回歸計(jì)算,得到信號(hào)源位置。

信號(hào)源到第i個(gè)探頭的距離見式(1):

(1)

通過(guò)檢測(cè)得到的信號(hào)傳到第i和第j個(gè)探頭的時(shí)間差見式(2):

Δtij,obs=ti-tj

(2)

通過(guò)計(jì)算得到的信號(hào)傳到第i和第j個(gè)探頭的時(shí)間差見式(3):

(3)

定義殘差見式(4):

χ2=∑(Δtij,cal-Δtij,cal)2

(4)

其中,v為巖樣縱波波速;ti,tj分別為信號(hào)源傳到第i個(gè)和第j個(gè)聲發(fā)射探頭的時(shí)間;xi,yi,zi和xj,yj,zj為第i個(gè)和第j個(gè)聲發(fā)射探頭的位置坐標(biāo);xs,ys和zs均為聲發(fā)射信號(hào)源的位置坐標(biāo)。給定初始值xs,ys和zs,然后通過(guò)迭代計(jì)算使殘差值滿足精度要求,迭代停止,此時(shí)xs,ys和zs即為信號(hào)源位置坐標(biāo)。在每組試驗(yàn)進(jìn)行前,測(cè)量巖樣的縱波波速,以此作為計(jì)算波速。

2 試驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介

單軸壓縮試驗(yàn)在TAW-3000型巖石三軸伺服多場(chǎng)耦合試驗(yàn)系統(tǒng)上完成。該系統(tǒng)采用門式框架整體鑄造,剛度為10 GN/m,軸向最大試驗(yàn)力為3 000 kN,測(cè)力精度為10 N;最大圍壓100 MPa,測(cè)力精度為0.01 MPa。軸向變形傳感器量程為8 mm,徑向變形傳感器量程為4 mm,二者分辨率均為0.000 1 mm。

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備采用美國(guó)物理聲學(xué)公司DISP系列的四通道PCI-2全數(shù)字化聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)處理卡具有的功能和參數(shù)如下:18位A/D分辨率,高達(dá)40 M/s的采樣率,1 kHz～3 MHz的頻率范圍,最小門檻值為12 dB。該聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、采集、存儲(chǔ)和重放;可以實(shí)現(xiàn)線定位、區(qū)域定位功能;可以對(duì)實(shí)時(shí)波形和波形流進(jìn)行采集與分析;能進(jìn)行的濾波有特征參數(shù)濾波、波形濾波、前端濾波和圖解濾波,能進(jìn)行聚類分析前端報(bào)警設(shè)置。

試件加熱采用設(shè)備型號(hào)為SX2-10-12的中溫箱式電阻爐,該電阻爐額定功率10 kW,額定溫度1 200 ℃,采用PID智能程序控溫,控溫精度、爐溫均勻性達(dá)±5 ℃。

3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)巖樣

試驗(yàn)所采用大理巖巖樣主要礦物成分為白云石和方解石,同時(shí)含有少量黑云母。按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議的方法,將試樣加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件,用砂紙打磨端面后,巖樣兩端面互相平行且平整度誤差小于0.01 mm。

3.2 加熱方案及加熱過(guò)程

以10 ℃/min的加熱速率將試樣分別加熱到預(yù)定溫度后保持恒溫4 h,隨后在爐內(nèi)冷卻,冷卻速率設(shè)為5 ℃/min,冷卻至常溫后取出試件。本文研究設(shè)定4個(gè)溫度梯度,即常溫(25 ℃),200 ℃,400 ℃和600 ℃。

3.3 單軸加載

單軸加載采用變形控制,加載速率為0.05 mm/min,加載直到試樣最終破壞后停止。

3.4 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

為了對(duì)試樣進(jìn)行三維定位分析,將4個(gè)NANO-30探頭對(duì)稱布置在距離巖樣兩端25 mm處。用凡士林作為聲發(fā)射探頭和巖樣結(jié)合處的耦合劑以減少信號(hào)衰減。在壓縮試驗(yàn)開始的同時(shí),開始聲發(fā)射監(jiān)測(cè)并記錄數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 定位結(jié)果及破壞模式

經(jīng)過(guò)不同溫度作用后大理巖在單軸壓縮條件下的破壞模式照片和對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射三維定位結(jié)果如圖1所示。

可以看出,不同溫度巖樣的破裂模式不同。常溫下巖樣為脆性劈裂破壞,含有一條主要劈裂裂紋,定位點(diǎn)主要聚集為一條叢集的帶狀,與實(shí)際結(jié)果吻合較好。200 ℃巖樣也為劈裂破壞,在主要裂紋周圍有許多伴生小裂紋;400 ℃巖樣為剪切破壞,主要剪切裂紋周圍也有許多伴生小裂紋。定位結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)200 ℃和400 ℃溫度作用后巖樣的定位點(diǎn)多數(shù)聚集在其主要裂紋對(duì)應(yīng)的區(qū)域,另有少量定位點(diǎn)均勻分布在巖樣內(nèi),這些少量分布均勻的定位點(diǎn)正是巖樣伴生小裂紋的表現(xiàn)。600 ℃后的巖樣為單剪破壞模式,有一條主要剪切裂紋,定位點(diǎn)主要聚集在與剪切裂紋對(duì)應(yīng)的斜平面上?？傮w而言,從定位點(diǎn)的分布和數(shù)目可以判定巖石破裂模式,定位點(diǎn)叢集的區(qū)域可以得到宏觀裂紋出現(xiàn)的位置。在600 ℃以內(nèi),聲發(fā)射定位結(jié)果較好反映了巖樣的破裂模式隨溫度的升高由單一劈裂面破壞模式到多劈裂面破壞模式,再到單剪破壞模式的變化。

從能量角度分析,巖樣破壞前耗散的能量主要用于巖樣內(nèi)部的損傷,耗散能越大說(shuō)明內(nèi)部損傷程度越高,從而形成更多的破裂面和潛在破裂面,因而200 ℃和400 ℃巖樣比常溫巖樣出現(xiàn)更多破裂面。

巖樣發(fā)生不同破裂模式的原因可以從張拉裂紋和剪切裂紋共同作用的角度進(jìn)行分析。在200 ℃以內(nèi),巖樣的破壞主要受張拉裂紋的影響,張拉變形引起的破裂面與軸向應(yīng)力平行,表現(xiàn)為劈裂破壞模式。隨著溫度升高,高溫使得試件結(jié)構(gòu)和礦物組成逐漸發(fā)生變化,當(dāng)溫度高于某一臨界值時(shí),礦物發(fā)生相變,顆粒間的黏結(jié)作用變小,即高溫對(duì)巖石材料造成劣化作用。由于巖石材料通常為非均質(zhì)的,試樣同一承載斷面的材料劣化程度不一樣,導(dǎo)致同一承載斷面上的材料強(qiáng)度不等[9]。因此,巖樣在軸向應(yīng)力增加時(shí),強(qiáng)度較低的材料會(huì)首先發(fā)生屈服,承載力降低,從而使得應(yīng)力轉(zhuǎn)移,造成未屈服的材料實(shí)際應(yīng)力變大,彈性應(yīng)變?cè)龃?進(jìn)而剪切裂紋擴(kuò)展匯合,最終形成剪切破壞模式?？紤]到600 ℃后巖樣的單軸壓縮強(qiáng)度較400 ℃后巖樣降低幅度大許多,推斷該大理巖礦物發(fā)生相變的臨界溫度在400 ℃～600 ℃之間,故600 ℃后巖樣為單剪破壞模式。400 ℃后大理巖的破壞受張拉裂紋和剪切裂紋共同作用,因而破壞后有一條未完全貫通的剪切裂紋,并伴生多條小的劈裂裂紋。

4.2 大理巖漸進(jìn)破壞過(guò)程時(shí)空演化規(guī)律

大量學(xué)者研究了聲發(fā)射事件定位隨巖石破裂過(guò)程的演化規(guī)律,成果表明,聲發(fā)射事件定位結(jié)果能直觀反映巖樣內(nèi)部裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和匯合的過(guò)程,且裂紋擴(kuò)展的空間位置、擴(kuò)展方向及空間曲面形態(tài)能由聲發(fā)射定位的時(shí)空演化過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)。學(xué)者通常思路是,首先將巖石破裂過(guò)程中的應(yīng)力與峰值強(qiáng)度相除,然后根據(jù)比值把巖石破裂過(guò)程劃分為相應(yīng)的幾個(gè)階段[10],例如,取峰值應(yīng)力的10%,30%,50%,80%,100%和峰后70%將巖石漸進(jìn)破壞過(guò)程分為6個(gè)階段,最后分析各個(gè)階段的聲發(fā)射定位分布規(guī)律。這種做法能夠較好反映巖石破裂過(guò)程,但對(duì)于幾個(gè)特征應(yīng)力對(duì)巖石漸進(jìn)破壞過(guò)程的影響和在破壞階段劃分中的意義,不能很好地反映。因此,本文將把聲發(fā)射定位的時(shí)空演化規(guī)律與巖石漸進(jìn)破壞的各個(gè)階段結(jié)合起來(lái),進(jìn)一步分析不同溫度作用后巖石漸進(jìn)破裂過(guò)程。

如圖2(a)所示,對(duì)于常溫下巖樣,裂紋閉合階段基本沒有聲發(fā)射定位點(diǎn),說(shuō)明巖石原生裂紋較少且在該階段裂紋活動(dòng)性較低;隨著荷載增加,在啟裂應(yīng)力處,有6%的聲發(fā)射定位點(diǎn)出現(xiàn);在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段,聲發(fā)射事件數(shù)劇烈增加到總量的62%,在此階段,巖石內(nèi)部裂紋開始擴(kuò)展和發(fā)育,因而伴隨有劇烈的聲發(fā)射事件出現(xiàn);在裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段,定位事件數(shù)突增到總量的93%,在這個(gè)階段,巖石內(nèi)部裂紋開始劇烈擴(kuò)展匯合,因而伴隨有大量的聲發(fā)射現(xiàn)象;而峰后破壞僅有7%的聲發(fā)射事件數(shù)?？傮w而言,彈性階段之前有極少的定位點(diǎn),聲發(fā)射事件主要在裂紋擴(kuò)展階段出現(xiàn),同時(shí),也說(shuō)明聲發(fā)射三維空間定位與巖樣內(nèi)部裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和匯合有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,能與巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)合起來(lái)研究巖石漸進(jìn)破壞過(guò)程的五個(gè)階段。

如圖2(b)—圖2(d)所示,對(duì)于高溫作用后巖樣,在裂紋閉合階段就有少量聲發(fā)射定位點(diǎn)出現(xiàn),其值占總量的比大約為9%,說(shuō)明在該階段裂紋密度較常溫大,有明顯的聲發(fā)射活動(dòng);同時(shí),在彈性階段,即啟裂應(yīng)力對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射事件數(shù)分別為總量的16%,24%和22%,明顯比常溫下比值大,且該比值隨著溫度升高有增大趨勢(shì),這正是高溫對(duì)巖樣造成熱損傷,使得巖石內(nèi)部裂紋更加發(fā)育的反映;在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段,經(jīng)過(guò)200 ℃,400 ℃和600 ℃作用后巖樣聲發(fā)射事件數(shù)與整個(gè)階段事件數(shù)比值分別增加了36%,26%和27%;而在裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段,比值分別增加了46%,40%和41%,說(shuō)明裂紋在此階段的擴(kuò)展匯合遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段內(nèi)的發(fā)育;峰后破壞階段有少量聲發(fā)射定位。總體而言,經(jīng)過(guò)高溫作用后,大理巖熱損傷較大,內(nèi)部裂紋密度變大。因而在裂紋閉合階段就出現(xiàn)少量占整個(gè)漸進(jìn)破壞過(guò)程約9%的聲發(fā)射事件,且彈性階段也有不少聲發(fā)射事件。在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段有大量聲發(fā)射定位點(diǎn),對(duì)應(yīng)著裂紋的擴(kuò)展和匯合。聲發(fā)射定位點(diǎn)主要出現(xiàn)在裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段,因?yàn)樵撾A段大量原生裂紋和新生裂紋開始匯合貫通。

5 結(jié)論

巖石的峰前漸進(jìn)破壞過(guò)程可以分為4個(gè)階段:1)裂紋閉合階段;2)線彈性變形階段;3)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段;4)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

本文將把聲發(fā)射定位的時(shí)空演化規(guī)律與巖石破壞的各個(gè)階段結(jié)合起來(lái),進(jìn)一步分析不同溫度作用后巖石漸進(jìn)破裂過(guò)程,主要結(jié)論如下:

1)從聲發(fā)射定位點(diǎn)的分布和數(shù)目可以判定巖石破裂模式,定位點(diǎn)叢集的區(qū)域可以得到宏觀裂紋出現(xiàn)的位置。

2)聲發(fā)射三維空間定位與巖樣內(nèi)部裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和匯合有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,能與巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)合起來(lái)研究巖石漸進(jìn)破壞過(guò)程的五個(gè)階段。

3)經(jīng)過(guò)高溫作用后,大理巖熱損傷較大,內(nèi)部裂紋密度變大。因而在裂紋閉合階段就出現(xiàn)占整個(gè)漸進(jìn)破壞過(guò)程約9%的聲發(fā)射事件,且彈性階段也有不少聲發(fā)射事件。在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段有大量聲發(fā)射定位點(diǎn),對(duì)應(yīng)著裂紋的擴(kuò)展和匯合。聲發(fā)射定位點(diǎn)主要出現(xiàn)在裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段,因?yàn)樵撾A段大量原生裂紋和新生裂紋開始匯合貫通。