王小林,溫仕軒,王煜東,張 亮,雷瑞德

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054; 2.西安煤礦機(jī)械有限公司, 西安 710200;3.四川輕化工大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 自貢 643000;4.頁(yè)巖氣勘探開發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院),重慶 401120)

0 引 言

隨著工程埋深的逐漸增加,深部巖體受到復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境諸如高溫、高應(yīng)力等的影響越來(lái)越顯著,巖石力學(xué)特性在不同溫度作用下的演化一直是地?zé)衢_采、煤層氣化和油頁(yè)巖熱解等的研究熱點(diǎn)[1-4]。同時(shí),高溫作用產(chǎn)生的裂紋會(huì)降低巖石的完整性,進(jìn)而破壞地下巖層的穩(wěn)定性[5-9]。因此,研究巖石在高溫作用下的損傷演化及斷裂破壞前兆特征顯得非常必要,研究結(jié)果對(duì)工程結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇、科學(xué)評(píng)價(jià)工程巖體穩(wěn)定性起到了非常重要的作用。

文獻(xiàn)[10]借助CT掃描探究花崗巖在高溫作用下熱損傷及破壞特征,當(dāng)加熱溫度<300 ℃時(shí)主要產(chǎn)生熱膨脹這一物理現(xiàn)象,試樣內(nèi)未觀察到裂紋萌生發(fā)育;當(dāng)溫度>300 ℃時(shí),在長(zhǎng)石和石英礦物中觀察到邊界裂紋和穿晶裂紋。蔣浩鵬等[11]通過(guò)把Weibull函數(shù)內(nèi)嵌到Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則中進(jìn)而開發(fā)熱損傷本構(gòu)模型,結(jié)果表明,理論模型與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果較吻合,進(jìn)一步說(shuō)明理論模型的可靠性。趙怡晴等[12]通過(guò)對(duì)熱處理砂巖的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性開展單軸壓縮試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,當(dāng)溫度超過(guò)600 ℃時(shí),砂巖力學(xué)特性急劇降低,相反,其滲透特性急劇增加。孫博等[13]基于聲發(fā)射技術(shù)對(duì)不同層理角度的板巖開展單軸壓縮試驗(yàn),獲得了加載過(guò)程中層狀板巖失穩(wěn)前兆特征以及預(yù)警時(shí)間關(guān)系。徐婕等[14]對(duì)砂巖開展了一系列常規(guī)三軸加卸載試驗(yàn),并借助分形理論對(duì)不同應(yīng)力路徑下砂巖的破裂前兆特征進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),分形維數(shù)急劇下降點(diǎn)與巖石臨界破斷失穩(wěn)點(diǎn)吻合,證明聲發(fā)射參數(shù)作為識(shí)別巖體失穩(wěn)預(yù)警信號(hào)的可靠性。楊宇江等[15]借助數(shù)值模型對(duì)巖石破裂過(guò)程中的多重分形參數(shù)進(jìn)行模擬分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),雖然不同參量的多重分維值略有差異,但多重分形理論能夠滿足標(biāo)度尺度不變性這一重要特征。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同溫度作用下巖石力學(xué)特性展開了大量研究,并取得了許多對(duì)理解巖石熱損傷斷裂機(jī)制的重要結(jié)論[16-17]。但高溫作用下巖石的破斷機(jī)制仍待深入,尤其是借助聲發(fā)射技術(shù)從微裂紋機(jī)制、破裂前兆特征等方面進(jìn)行深入研究。因此,本文借助聲發(fā)射技術(shù)對(duì)不同溫度作用后砂巖在整個(gè)加載過(guò)程中多重分形特征及破壞前兆特征開展詳細(xì)研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 樣品準(zhǔn)備

本文研究的砂巖取自重慶某采石場(chǎng),該巖樣自然狀態(tài)下呈灰白色,顆粒粒度中等,體積密度為2.48 g/cm3,縱波波速為3 560 m/s,孔隙度為10.86%,主要礦物成分為石英(32.26%)、長(zhǎng)石(48.35%)、高嶺土(10.42%)和其他礦物(8.96%),如圖1所示。

圖1 測(cè)試巖樣小角衍射

為減少樣品之間的差異,測(cè)試試樣均取自同一塊巖樣,并采用波速法進(jìn)行初步篩選。并根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(International Society for Rock Mechanics,ISRM)標(biāo)準(zhǔn)將砂巖切割打磨成50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣[18]。接下來(lái),對(duì)試件分組進(jìn)行高溫加熱預(yù)處理,加熱溫度分別為200、400、600、800、1 000 ℃共5種工況。馬弗爐內(nèi)巖樣加熱速率設(shè)為5 ℃/min。為確保巖樣內(nèi)部均勻受熱,溫度升至目標(biāo)溫度后在爐子內(nèi)恒溫4 h,然后冷卻至室溫,試樣制備及加熱過(guò)程,如圖2所示。

圖2 試樣制備過(guò)程

1.2 試驗(yàn)裝置

本文借助MTS816巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)配套PCI-Ⅱ聲發(fā)射儀開展一系列單軸加載試驗(yàn),整個(gè)加載過(guò)程采用位移控制,加載速率為0.1 mm/min。加載過(guò)程中同步監(jiān)測(cè)聲發(fā)射參數(shù)(事件數(shù)、撞擊、能量和原始波形),聲發(fā)射傳感器型號(hào)為NANO-30,諧振頻率為300 kHz。為降低加載過(guò)程中環(huán)境產(chǎn)生的噪音,并結(jié)合斷鉛試驗(yàn)結(jié)果,聲發(fā)射門檻值和采樣頻率分別設(shè)置為40 dB和1 MHz。2個(gè)探頭對(duì)稱固定在試樣中間位置。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置

2 高溫作用下砂巖聲發(fā)射特征

2.1 應(yīng)力-時(shí)間曲線

聲發(fā)射技術(shù)廣泛地用于監(jiān)測(cè)巖石變形斷裂過(guò)程中的裂紋行為,因此,通過(guò)對(duì)整個(gè)加載過(guò)程中捕捉到的聲發(fā)射事件數(shù)進(jìn)行累加,不同溫度作用后砂巖軸向應(yīng)力、累積聲發(fā)射事件數(shù)演化曲線,如圖4所示。

圖4 不同溫度作用下砂巖軸向應(yīng)力及聲發(fā)射演化特征

由圖4得知,當(dāng)加熱溫度低于400 ℃時(shí),初始損傷階段與線彈性階段其累積聲發(fā)射事件數(shù)幾乎為0,當(dāng)軸向應(yīng)力增至屈服階段時(shí),聲發(fā)射信號(hào)急劇增加。但是,經(jīng)過(guò)高溫處理后,累積聲發(fā)射事件數(shù)在較低應(yīng)力階段聲發(fā)射信號(hào)逐漸上升,尤其當(dāng)加熱溫度增至1 000 ℃時(shí),聲發(fā)射信號(hào)密度在初始?jí)好茈A段出現(xiàn)急劇增加,這主要是由于在較高溫度作用下,熱應(yīng)力作用破壞了礦物顆粒之間的粘結(jié)作用,導(dǎo)致顆粒鍵之間的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力降低,故在較低外荷載作用下試樣內(nèi)大量沿晶和穿晶裂紋萌生發(fā)育,從而使巖樣的強(qiáng)度產(chǎn)生劣化。對(duì)比圖中裂紋應(yīng)力水平變化規(guī)律明顯得知,隨著加熱溫度的增加,裂紋起裂應(yīng)力水平逐漸降低。此外,通過(guò)計(jì)算裂紋擴(kuò)展階段在整個(gè)加載的時(shí)間占比發(fā)現(xiàn),隨著溫度的增加,裂紋起裂擴(kuò)展階段占比逐漸降低,占比分別為84.22%、81.08%、80.00%、79.07%、71.52%和60.12%。

2.2 強(qiáng)度和變形特征

根據(jù)之前研究的文獻(xiàn),文中特征應(yīng)力點(diǎn)同樣采用累積聲發(fā)射事件數(shù)的方法進(jìn)行定義[19-20]。根據(jù)圖4中不同溫度作用后砂巖軸向應(yīng)力曲線,可以獲得砂巖應(yīng)力門檻演化特征,如圖5所示。

圖5 不同溫度作用下砂巖應(yīng)力門檻

由圖5可知,隨著溫度的增加,不同裂紋應(yīng)力門檻呈現(xiàn)出近似一致的演化規(guī)律,總體上呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。該現(xiàn)象的主要原因是高溫作用致使礦物之間形成塑性擴(kuò)張以及熱應(yīng)力提高了礦物顆粒之間的內(nèi)摩擦作用,導(dǎo)致在一定溫度范圍內(nèi)巖樣的峰值強(qiáng)度出現(xiàn)增加。常溫下不同裂紋應(yīng)力門檻分別為61.74、71.34、71.95 MPa;當(dāng)溫度增至200 ℃時(shí),不同裂紋應(yīng)力門檻分別為58.76、69.42、72.49 MPa;當(dāng)溫度增至1 000 ℃時(shí),巖樣熱損傷及強(qiáng)度劣化程度相比低溫工況要大很多,礦物之間的晶間裂紋和穿晶裂紋密度也急劇增加,不僅出現(xiàn)強(qiáng)度的降解,在某種程度上孔隙度也發(fā)生相應(yīng)的增加。另外,3種裂紋應(yīng)力水平相對(duì)于常溫工況分別降低了69.40%、57.98%、54.86%。

2.3 微破裂機(jī)制分析

為揭示不同溫度處理后砂巖微觀結(jié)構(gòu)熱損傷演化規(guī)律,借助微觀電鏡掃描裝置,對(duì)不同溫度作用后砂巖微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。不同溫度處理后典型掃描電鏡結(jié)果,如圖6所示[6]。

圖6 不同溫度作用后砂巖微觀圖像

當(dāng)溫度從25 ℃升至200 ℃時(shí),由于礦物顆粒之間發(fā)生熱膨脹,常溫工況下巖樣內(nèi)小孔隙發(fā)生閉合。但當(dāng)溫度升高至400 ℃時(shí),由于沒(méi)有足夠的空隙空間使顆粒膨脹,從而導(dǎo)致孔隙變大。當(dāng)處理溫度升高到600 ℃時(shí),在巖樣表面觀察到大量微裂紋,該現(xiàn)象的主要原因?yàn)槭⒕w經(jīng)歷α-β轉(zhuǎn)變的臨界溫度為573 ℃,石英組分發(fā)生體積膨脹導(dǎo)致微裂紋萌生。

隨著溫度不斷升高,當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)了砂巖基質(zhì)的抗拉強(qiáng)度,微裂紋開始擴(kuò)展。試樣表面形成大量孤立的孔隙和裂紋,如圖6(e)所示。當(dāng)溫度增至800 ℃時(shí),方解石發(fā)生分解,顆粒之間的作用力鍵斷裂,黏土礦物脫膠作用致使顆粒周圍產(chǎn)生新的裂紋?？蛇M(jìn)一步推測(cè)在較高溫度作用下,細(xì)觀孔洞和大孔洞逐漸向微裂紋演變,導(dǎo)致細(xì)觀孔洞和大孔洞的比例降低。最終,裂紋數(shù)量和貫通范圍顯著增加(圖6(f)),導(dǎo)致巖樣力學(xué)強(qiáng)度降低。該現(xiàn)象從微觀角度解釋圖4中宏觀力學(xué)參數(shù)的演化規(guī)律。

3 多重分形理論

分形理論是根據(jù)物體自身的自相似性和尺度不變性等特點(diǎn)進(jìn)行分析,本文采用盒覆蓋法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的概率分布特征進(jìn)行計(jì)算[21-23]。

首先,對(duì)聲發(fā)射時(shí)間序列進(jìn)行定義{x(t);t=1,2,3,…,n},并將其分成連續(xù)的N等份,每一份長(zhǎng)度為M,每個(gè)區(qū)間的歸一化概率定義為

(1)

式中:Pt為歸一化概率密度;St為第t區(qū)間累積和。

配分函數(shù)χ(q,M)定義為

(2)

式中:q為統(tǒng)計(jì)矩順序;M為標(biāo)度長(zhǎng)度。

對(duì)于不同q值,配分函數(shù)與M之間的冪律關(guān)系為

χ(q,M)∝Mδ(q)。

(3)

通過(guò)不斷地改變標(biāo)度長(zhǎng)度M,并重復(fù)計(jì)算,從ln(X(q,L))和lnM擬合曲線上取雙對(duì)數(shù)函數(shù)斜率可得到Hurst指數(shù)δ(q)。

歸一化測(cè)度μi(q,M)的單參數(shù)簇定義為

(4)

式中Pi(L)為概率分布函數(shù)。

通過(guò)冪指數(shù)加權(quán)處理,多重分形維數(shù)可按不同程度劃分為多個(gè)區(qū)域,并經(jīng)過(guò)Legendre變換,分形譜函數(shù)f(q)和平均奇異強(qiáng)度α(q)的計(jì)算過(guò)程為:

另外,多重分形維數(shù)具有3個(gè)典型特征:頻譜寬度(Δα)、最大與最小信號(hào)頻率測(cè)度子集(Δf)和頻譜形貌(Δα0)。

頻譜寬度Δα計(jì)算式為

Δα=αmax-αmin。

(7)

式中:αmax為奇異性指數(shù)最大值;αmin為奇異性指數(shù)最小值。

頻譜測(cè)度子集Δf計(jì)算為

Δf=f(q(αmax))-f(q(αmin)) 。

(8)

式中:q(αmax)是指當(dāng)α=αmax時(shí)的q值;q(αmin)是指當(dāng)α=αmin時(shí)的q值。另外,Δf反映大、小測(cè)度子集出現(xiàn)的概率,Δf越大表明大破裂尺度事件占優(yōu),Δf越小表明小破裂尺度信號(hào)占優(yōu)。

3.1 不同溫度作用后砂巖多重分形特征

砂巖高溫處理后變形斷裂過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)多重分形特征,如圖7所示。

圖7 不同溫度作用后砂巖多重分形特征曲線

由圖7可知,不同溫度作用后砂巖的非均質(zhì)性較明顯,較小幅值聲發(fā)射信號(hào)起到了主要作用。另外,較小幅值信號(hào)出現(xiàn)概率大于較大幅值信號(hào),進(jìn)一步揭示加載過(guò)程中巖石損傷劣化的復(fù)雜性。在外荷載作用下,巖石內(nèi)部經(jīng)歷了微裂紋萌生發(fā)育,聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度某種程度上反映出巖石變形破裂程度,較大幅值聲發(fā)射信號(hào)預(yù)示砂巖內(nèi)部經(jīng)歷較大尺度變形和斷裂;相反,較小幅值聲發(fā)射信號(hào)預(yù)示砂巖內(nèi)部產(chǎn)生較小尺度破裂。另外,根據(jù)多重分形譜形貌特征,聲發(fā)射信號(hào)的結(jié)構(gòu)差異可明顯區(qū)別出來(lái)。整個(gè)加載變形斷裂過(guò)程中,試樣內(nèi)小幅值聲發(fā)射信號(hào)占比較大,揭示了砂巖內(nèi)產(chǎn)生較多小尺度的破裂。

從圖7還可得知,常溫作用下,多重分形譜寬度達(dá)到最大值Δα=1.451,當(dāng)溫度增至1 000 ℃時(shí),多重分形譜寬度Δα為1.018,進(jìn)一步說(shuō)明常溫工況較高溫工況相比,聲發(fā)射信號(hào)變化較顯著。另外,隨著溫度的增加,多重分形譜寬度逐漸變小,說(shuō)明砂巖內(nèi)部礦物顆粒之間產(chǎn)生了較大的位錯(cuò)。

3.2 不同應(yīng)力階段砂巖多重分形特征

圖7雖然給出了不同溫度作用后砂巖整個(gè)加載過(guò)程的多重分形特征,但不同應(yīng)力水平的多重分形特征對(duì)于理解巖石熱損傷機(jī)制更有意義。限于篇幅,僅列舉1 000 ℃工況下砂巖在不同應(yīng)力階段的多重分形特征。圖8給出了高溫處理后不同應(yīng)力水平的多重分形譜演化規(guī)律。

圖8 不同應(yīng)力水平下加熱砂巖多重分形譜特征

從圖8可以看出,隨著應(yīng)力水平的增加,總體上,多重分形譜寬度呈現(xiàn)出先降低后增加的演化趨勢(shì),詳細(xì)地,多重分形譜寬度Δα由1.546(0～0.2σc)逐漸降至0.423((0.8～1.0)σc),然后又增至0.983(峰后階段)。在初始加載階段多重分形譜寬度Δα達(dá)到最大值,進(jìn)一步表明該階段聲發(fā)射信號(hào)的非線性特征較明顯,主要是由于內(nèi)部初始孔裂隙閉合、礦物顆粒產(chǎn)生位錯(cuò)等導(dǎo)致產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)較多。在峰后階段,多重分形譜寬度再次達(dá)到峰值,進(jìn)一步證實(shí)峰后階段其變形和斷裂呈現(xiàn)出較復(fù)雜的特征,與初始加載階段類似。

4 高溫作用下砂巖破裂前兆特征

4.1 聲發(fā)射b值物理意義

眾所周知,聲發(fā)射技術(shù)已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)研究巖石材料的損傷演化以及鑒別加載過(guò)程中裂紋類型[22-24]。以往對(duì)地震事件的監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn),較大振幅信號(hào)發(fā)生的概率小于較小幅值信號(hào),還發(fā)現(xiàn)大震級(jí)地震事件與振幅之間服從冪指數(shù)分布,即

lgN=a-bM。

(9)

式中:N為幅值大于AdB的聲發(fā)射撞擊數(shù);M為地震震級(jí);a為常數(shù);b為小幅值事件相對(duì)大幅值事件的比例。

由于自然地震與室內(nèi)巖石失穩(wěn)破壞具有相似性,因此,大量學(xué)者采用聲發(fā)射b值來(lái)表征其斷裂損傷,并將其作為巖石破壞的前兆指標(biāo)參數(shù)[24-26],對(duì)式(9)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?有:

(10)

(11)

式中AdB為聲發(fā)射波形信號(hào)振幅。

M∝lgS。

(12)

結(jié)合式(10)、式(11)可知,修正的G-R公式為

(13)

4.2 聲發(fā)射b值前兆特征

為了更好地理解熱損傷對(duì)巖石破裂前兆的影響,本節(jié)通過(guò)對(duì)不同溫度作用后整個(gè)加載過(guò)程中聲發(fā)射b值的演化特征進(jìn)行分析。由于加載前期階段聲發(fā)射信號(hào)較稀疏,對(duì)應(yīng)該階段按照50 s時(shí)間間隔計(jì)算一次聲發(fā)射b值,中后期階段聲發(fā)射信號(hào)較密集,以20 s為時(shí)間間隔計(jì)算一次聲發(fā)射b值。根據(jù)式(9)—式(13)獲得整個(gè)加載過(guò)程中聲發(fā)射b值的演化特征,圖9給出了不同溫度作用后砂巖軸向應(yīng)力及聲發(fā)射b值演化特征。

圖9 不同溫度作用下砂巖聲發(fā)射b值前兆特征

由圖9可知,聲發(fā)射b值呈現(xiàn)出先增加后降低再增加,最后急劇降低的變化規(guī)律。另外,當(dāng)加熱溫度低于400 ℃時(shí),由于試樣內(nèi)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)較少,故在加載前期階段出現(xiàn)聲發(fā)射b值稀疏現(xiàn)象。隨著溫度的增加,試樣受熱損傷影響逐漸增大,對(duì)應(yīng)試樣內(nèi)產(chǎn)生大量微裂紋,從而導(dǎo)致聲發(fā)射b值顯著降低,該現(xiàn)象主要是由于試樣內(nèi)孔裂隙被壓密,裂紋在發(fā)生閉合過(guò)程中,晶體之間位錯(cuò)導(dǎo)致試樣內(nèi)裂紋發(fā)育。隨著應(yīng)力水平增加,當(dāng)加載進(jìn)入線彈性階段時(shí),聲發(fā)射b值又呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢(shì)。當(dāng)軸向應(yīng)力趨近峰值荷載時(shí),聲發(fā)射b值急劇下降。

聲發(fā)射b值的減小,說(shuō)明巖樣內(nèi)幅值較大事件占比增大,巖石破裂加劇。單軸加載過(guò)程中,b值發(fā)生幾次起伏波動(dòng),進(jìn)一步證實(shí)巖石內(nèi)部裂紋的發(fā)展是漸進(jìn)式擴(kuò)展,但在主破裂前b值表現(xiàn)出明顯的下降,且隨著主破裂的臨近下降趨勢(shì)更加明顯。在接近峰值強(qiáng)度時(shí),b值的大幅度降低意味著巖石由微破裂狀態(tài)變化為破壞狀態(tài),此時(shí)聲發(fā)射b值急劇下降點(diǎn)可作為巖石失穩(wěn)突變的前兆信息點(diǎn)。

5 結(jié) 論

(1)基于聲發(fā)射技術(shù),量化識(shí)別了加載過(guò)程中裂紋起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力門檻,發(fā)現(xiàn)不同裂紋應(yīng)力門檻隨著溫度的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的演化規(guī)律,同時(shí),發(fā)現(xiàn)裂紋起裂擴(kuò)展階段占比逐漸降低。

(2)隨著溫度的增加,多重分形譜寬度逐漸變小,說(shuō)明砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大變化。當(dāng)應(yīng)力水平由(0～0.2σc)增至峰后階段時(shí),多重分形譜寬度呈現(xiàn)出先降低后增加的變化規(guī)律,具體為分形譜寬度Δα由1.546逐漸降至0.423,最終增至0.983。

(3)隨著應(yīng)力水平的增加,當(dāng)加載進(jìn)入線彈性階段時(shí),聲發(fā)射b值呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢(shì)。當(dāng)軸向應(yīng)力趨近峰值階段時(shí),聲發(fā)射b值急劇下降,聲發(fā)射b值急劇下降點(diǎn)可作為失穩(wěn)突變的前兆信息點(diǎn)。