摘 要：為了研究循環(huán)荷載作用下廢石尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)特性與損傷規(guī)律，制備了4種不同廢石含量的尾砂膠結(jié)充填體，開展了2種加載路徑下單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，并借助聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取了不同加載路徑下所釋放的聲信號(hào)，研究充填體損傷演化規(guī)律。結(jié)果表明：充填體力學(xué)強(qiáng)度隨廢石含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，廢石含量10%的充填體力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到最大，在恒定下限循環(huán)加卸載和等幅循環(huán)加卸載路徑下的強(qiáng)度分別為3.94 MPa和3.63 MPa，且充填體在等幅循環(huán)加卸載下的強(qiáng)度普遍高于恒定下限循環(huán)加卸載；恒定下限循環(huán)加卸載過程中，滯回環(huán)面積同循環(huán)次數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，隨循環(huán)次數(shù)的增多而增大，F(xiàn)elicity比值隨循環(huán)次數(shù)增多而減小，充填體損傷程度不斷加深；恒定下限循環(huán)加卸載和等幅循環(huán)加卸載過程中，充填體的聲發(fā)射信號(hào)均呈“峰谷”現(xiàn)象，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)能量呈“階梯式”上升趨勢(shì)。研究可為礦山儲(chǔ)庫(kù)構(gòu)建及穩(wěn)定性無(wú)損檢測(cè)分析提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：尾砂膠結(jié)充填體；循環(huán)加卸載；力學(xué)特性；聲發(fā)射；損傷特性

中圖分類號(hào)：TD 823""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2025）01-0074-12

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2025.0107

Acoustic emission characteristics of cemented tailings

backfill under cyclic loading

QIU Huafu "LI Yuhang "LIU Lang "DING Ziwei¹

（1.College of Energy Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to study the mechanical characteristics and damage law of waste rock tailings cemented filling body under cyclic loading，four kinds of tailings cemented filling body with different waste rock content were prepared，and uniaxial cyclic loading and unloading tests were carried out under two loading paths，with the help of acoustic emission monitoring system，the acoustic signals released under different loading paths were obtained to examine the internal damage evolution process of the filling body.The results show that the mechanical strength of filling body increases first and then decreases with the increase of waste rock content，and the mechanical strength of filling body with 10% waste rock content reaches the maximum，and the strength under the constant lower limit cyclic loading and unloading path and the constant lower limit cyclic loading and unloading path are 3.94 MPa and 3.63 MPa respectively，and the strength of filling body under the constant lower limit cyclic loading and unloading is generally higher than that under the constant lower limit cyclic loading and unloading path.During the loading and unloading process of constant lower limit cycle，the hysteresis loop area，increases with the increase of the number of cycles，has a quadratic function relationship with the number of cycles，but the Felicity ratio decreases;the damage degree of the filling body continues to deepen.In the process of constant lower limit cyclic loading and unloading and constant amplitude cyclic loading and unloading，the acoustic emission signal of the filling body presents a “peak-valley” model，and the cumulative ringing count and cumulative energy show a “stepped” upward trend.This study provides a theoretical basis for mine storage construction and stability nondestructive testing analysis.

Key words：cemented tailings backfill；cyclic loading and unloading；mechanical property；acoustic emission；damage characteristics

0 引 言

中國(guó)地下礦山開采活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致大量采空區(qū)的形成^[1-2]，規(guī)模巨大的礦山地下采空區(qū)具有重大的開發(fā)利用價(jià)值，結(jié)合中國(guó)戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備問題，越來(lái)越多的礦山選擇儲(chǔ)庫(kù)式功能性充填開采方法^[3]，既能有效處置礦山廢棄物，又能在完成地下采空區(qū)充填的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)地下采空區(qū)利用，突破礦山綠色高效開采瓶頸，滿足中國(guó)綠色發(fā)展戰(zhàn)略^[4]。利用礦山儲(chǔ)庫(kù)式功能性充填開采技術(shù)構(gòu)建的礦山充填儲(chǔ)庫(kù)，考慮到儲(chǔ)庫(kù)運(yùn)營(yíng)期間，儲(chǔ)存介質(zhì)的注取操作，儲(chǔ)庫(kù)整體將處于循環(huán)載荷作用下，內(nèi)部微裂隙、缺陷等不斷擴(kuò)展、聚合并相互交叉^[5]。因此，在構(gòu)建礦山充填儲(chǔ)庫(kù)前，有必要對(duì)礦山儲(chǔ)庫(kù)式充填材料開展循環(huán)載荷作用下力學(xué)及損傷特性研究，為構(gòu)建礦山充填儲(chǔ)庫(kù)提供一定的理論基礎(chǔ)。

作為礦山儲(chǔ)庫(kù)式功能性充填開采技術(shù)的關(guān)鍵單元，材料的強(qiáng)度對(duì)充填效果至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)材料的循環(huán)加卸載過程進(jìn)行了相關(guān)研究。楊天雨等對(duì)尾砂膠結(jié)充填體進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)充填體的彈性應(yīng)變能隨循環(huán)次數(shù)的增加呈“階梯式”增長(zhǎng)，累積的能量超過臨界值時(shí)充填體發(fā)生破壞^[6-7]；李欣慰等對(duì)砂巖進(jìn)行單軸循環(huán)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂巖的損傷呈減速累積-穩(wěn)定累積-加速累積趨勢(shì)，破壞形式呈剪切-拉伸組合破壞^[8]；SHEN等對(duì)不同應(yīng)力路徑下的砂巖試樣進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低循環(huán)應(yīng)力下限條件下的砂巖殘余應(yīng)變大于高循環(huán)應(yīng)力下限條件下砂巖的殘余應(yīng)變^[9]；LIN等對(duì)鹽巖進(jìn)行三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)損傷變量隨循環(huán)次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定增長(zhǎng)，較高的圍巖壓力可改善試樣的初始破壞程度^[10]；王凱等對(duì)煤巖組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同加載速率下的循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高加載速率下裂紋擴(kuò)展速度更快，更容易產(chǎn)生沿基質(zhì)裂紋^[11]；來(lái)興平等對(duì)互層巖樣進(jìn)行單軸分級(jí)循環(huán)加卸載試驗(yàn)，分析其在不同飽水條件下力學(xué)特性與聲發(fā)射特征，發(fā)現(xiàn)飽水試樣的強(qiáng)度低于自然試樣，聲發(fā)射信號(hào)也少于自然試樣^[12]；凌志強(qiáng)等對(duì)砂巖進(jìn)行等加荷循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂巖的殘余應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的增加而減少，并修正了能量密度計(jì)算方法^[13]；陳見行等借助沖擊加載設(shè)備，對(duì)不同預(yù)處理的沖擊性砂巖開展不同循環(huán)加載路徑下動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)斷裂后巖樣的破壞程度與沖擊氣壓呈正相關(guān)關(guān)系^[14]；馮蕭等借助巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同塊石含量的膠結(jié)充填體進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)適量塊石的加入對(duì)損傷有抑制作用^[15]；郭啟文等對(duì)矽卡巖進(jìn)行不同加載速率的循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣的破壞程度隨加載速率的增大而加劇^[16]；吳再海等對(duì)花崗巖試樣進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石的耗散能和塑性變形能隨循環(huán)應(yīng)力等級(jí)的提高呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)^[17]；歐陽(yáng)振華等對(duì)大尺寸類煤體試樣進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載，發(fā)現(xiàn)最大加載載荷是影響循環(huán)加載下?lián)p傷煤體力學(xué)性能的最關(guān)鍵因素^[18]。上述研究表明，在循環(huán)加卸載方面的研究主要集中于巖石材料，在充填體循環(huán)加卸載方面尚無(wú)充分的研究。

綜合以上內(nèi)容，借助DNS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、AE等手段，對(duì)不同廢石含量（0%、10%、20%、30%）尾砂膠結(jié)充填體開展不同加載路徑的單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究循環(huán)應(yīng)力下充填體力學(xué)及損傷特性，揭示周期性應(yīng)力下充填體的損傷演化規(guī)律，為探究運(yùn)營(yíng)期間儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性提供理論基礎(chǔ)與工程指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試樣制備

尾砂選自陜西省金都銅礦，使用激光衍射粒度分析儀測(cè)量尾砂顆粒尺寸，尾砂粒徑分布如圖1（a）所示^[19]，尾砂均度系數(shù)為8.55（Cu=d60/d10），Cu≥5，曲率系數(shù)為1.71（Cc=d30²/（d60×d10）），1≤Cc≤3，該尾砂級(jí)配良好。通過X射線熒光光譜法（XRD）測(cè)定物質(zhì)組成如圖1（b）所示，樣品中SiO2含量達(dá)58.7%且無(wú)有害成分，故該尾砂可作為充填材料的細(xì)骨料。

膠凝材料選用強(qiáng)度高、硬化快的普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），選用粒徑為2～5 mm的廢石顆粒作為粗骨料，主要成分包括石英、方解石和碳酸鈣，測(cè)得廢石顆粒的天然密度為2.86 g/cm³。綜合分析可知，充填材料顆粒級(jí)配均勻，廢石粗骨料有利于改善料漿流動(dòng)性和提高強(qiáng)度^[20]。

設(shè)計(jì)灰砂比為1∶4，料漿濃度為76%，設(shè)置廢石含量為0%、10%、20%、30%這4個(gè)梯度^[21]。根據(jù)物料含量，稱取相應(yīng)材料攪拌均勻后，澆筑成50 mm×100 mm的圓柱體試樣，經(jīng)24 h脫模后放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)溫度（20±1）℃，濕度（95±1）%，達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后取出試件并進(jìn)行端面打磨處理，保證兩端面平整。

1.2 循環(huán)加卸載路徑

試驗(yàn)設(shè)計(jì)2種循環(huán)加卸載路徑，分別為恒定下限循環(huán)加卸載路徑和等幅循環(huán)加卸載路徑，對(duì)廢石尾砂膠結(jié)充填體開展單軸壓縮循環(huán)加卸載試驗(yàn)，應(yīng)力加載速度設(shè)定為100 N/s，其中加載速率與卸載速率保持一致。

恒定下限循環(huán)加載路徑首次加載至1 kN，然后卸載至0.5 kN，第2次加載至2 kN，卸載至0.5 kN，以此類推直至試件破壞，由于在實(shí)際工程中，充填體始終處于一定的壓應(yīng)力狀態(tài)下，因此，卸載至抗壓強(qiáng)度的5%左右，卸載下限應(yīng)力設(shè)為0.5 kN，加卸載路徑如圖2（a）所示，用于模擬石油儲(chǔ)庫(kù)注入與抽取量逐級(jí)增多的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。等幅循環(huán)加載路徑第1組循環(huán)從0加載至3 kN，然后立即卸載至2 kN，再加載至3 kN，以此路徑循環(huán)運(yùn)行10次，隨后進(jìn)入第2組循環(huán)，第2組循環(huán)峰值應(yīng)力為4 kN，卸載至3 kN，循環(huán)運(yùn)行10次；以此類推直至試件破壞，具體加卸載路徑如圖2（b）所示，用于模擬石油注入與抽取量相同但頻繁作業(yè)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。由于恒定下限循環(huán)加卸載路徑每次需卸載至0.5 kN，再次加載時(shí)應(yīng)力波動(dòng)幅度大于等幅循環(huán)加卸載路徑，且應(yīng)力波動(dòng)幅度逐級(jí)增大，因此該路徑又可稱為應(yīng)力波動(dòng)幅度較大的路徑。

1.3 試驗(yàn)方案

采用DNS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最大荷載為600 kN，

開始前使試驗(yàn)機(jī)上下壓頭處于平行狀態(tài)，試件與壓頭接觸時(shí)確保軸線與壓頭中心對(duì)齊。同時(shí)采用DS5系列聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取AE信號(hào)，本次試驗(yàn)所用聲發(fā)射探頭為RS-2A型探頭，其工作頻率范圍為50～400 kHz，中心頻率150 kHz。每個(gè)試件使用6個(gè)聲發(fā)射探頭，聲發(fā)射探頭具體位置及系統(tǒng)連接如圖3所示^[20]，布置方式可參考研究成果^[22]。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的同時(shí)啟動(dòng)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確保聲發(fā)射系統(tǒng)可同步監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的信號(hào)，整個(gè)試驗(yàn)流程如圖4所示^[20]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)特性

2.1.1 峰值應(yīng)力

不同循環(huán)荷載作用下充填體峰值應(yīng)力曲線如圖5所示。等幅循環(huán)加載路徑下充填體的峰值應(yīng)力普遍高于恒定下限循環(huán)加載路徑，這是由于在恒定下限循環(huán)加載路徑下單次加載與卸載對(duì)充填體強(qiáng)度影響不大，而在等幅循環(huán)加載路徑下，每組循環(huán)均會(huì)造成一定不可逆塑性應(yīng)變，該部分不可逆應(yīng)變屬于充填體不斷壓密的結(jié)果，充填體更高的密實(shí)度對(duì)后續(xù)加載至試件破壞有一定的強(qiáng)化作用，從而提升了其力學(xué)強(qiáng)度。

不同循環(huán)荷載作用下充填體強(qiáng)度隨廢石含量變化特征均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在廢石含量為10%時(shí)，恒定下限循環(huán)加卸載和等幅循環(huán)加卸載路徑下的充填體峰值應(yīng)力均達(dá)到最大，分別為3.94 MPa和3.63 MPa，這是由于少量廢石顆粒的加入降低了充填體內(nèi)部整體表面積，充填體內(nèi)部顆粒表面平均分配的膠凝材料含量增多，膠凝效果有所提升，從而在一定程度上提高充填體的力學(xué)強(qiáng)度，但由于廢石顆粒粒徑較大，摻量過多時(shí)導(dǎo)致充填材料內(nèi)尾砂水泥膠凝部分無(wú)法充分包裹廢石顆粒，大顆粒之間形成接觸式膠結(jié)，膠結(jié)效果有所降低，從而導(dǎo)致充填體強(qiáng)度降低，該發(fā)現(xiàn)與前人研究結(jié)論一致^[23]。

2.1.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

不同廢石含量的尾砂膠結(jié)充填體在不同循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線規(guī)律一致，以10%廢石含量的尾砂膠結(jié)充填體為例，繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。恒定下限循環(huán)加載路徑下，單次加卸載時(shí)形成較為明顯的應(yīng)力滯回環(huán)，再次加載至前一峰值點(diǎn)時(shí)應(yīng)變差較小，加卸載曲線呈現(xiàn)出“牛角”狀。等幅循環(huán)加載路徑下，每組循環(huán)的首次與末次循環(huán)充填體所受峰值應(yīng)力相等，但所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量有顯著差距，加卸載曲線有明顯的分級(jí)現(xiàn)象，每組循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)10個(gè)“尖葉”狀曲線。在不同循環(huán)加卸載路徑下，廢石尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)行為存在顯著差異，分析此現(xiàn)象可知，等幅循環(huán)加卸載路徑下充填體在循環(huán)過程中內(nèi)部孔隙被反復(fù)壓密，一定程度上提高了充填體的力學(xué)強(qiáng)度。

2.1.3 滯回環(huán)形狀特性分析

觀察在恒定下限循環(huán)加載路徑下充填體應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出在循環(huán)加卸載過程中存在較為明顯的滯回環(huán)效應(yīng)，試驗(yàn)加載時(shí)產(chǎn)生的總應(yīng)變包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，彈性應(yīng)變?cè)谛遁d時(shí)全部恢復(fù)，塑性應(yīng)變得以保留。能量在充填體內(nèi)部不斷消耗故產(chǎn)生一定的損傷，積累起損傷所需的能量稱之為耗散能^[24]。忽略掉殘余變形以及滯后效應(yīng)部分的能量，可以近似地將滯回環(huán)面積比作耗散能，計(jì)算循環(huán)過程中滯回環(huán)面積，建立滯回環(huán)面積與循環(huán)次數(shù)曲線如圖7所示。

滯回環(huán)面積隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，循環(huán)次數(shù)越多，滯回環(huán)面積越大，能量耗損也就越多，故充填體損傷程度越大。廢石含量為20%的充填體滯回環(huán)面積最大，為46.22，相比于廢石含量為10%充填體的37.49，提升了23.29%，這是由于充填體內(nèi)部膠凝部分未能完全包裹廢石顆粒，導(dǎo)致內(nèi)部孔隙增多，在荷載的作用下消耗更多的能量，因此滯回環(huán)面積更大。而廢石含量為0%和30%的充填體分別在第6和第4次循環(huán)時(shí)失穩(wěn)破壞，因此并未進(jìn)行后續(xù)循環(huán)，滯回環(huán)面積為0。此現(xiàn)象解釋了充填體在循環(huán)加卸載的過程中，原生微裂隙從閉合到裂隙擴(kuò)展、再到裂隙貫通、最后破裂失穩(wěn)，裂紋擴(kuò)展時(shí)能量以彈性波的形式釋放^[25]，裂紋擴(kuò)展所耗散的能量與滯回環(huán)面積呈正相關(guān)，同時(shí)也表明充填體在循環(huán)加卸載過程中損傷程度及速度逐漸增大。

2.2 恒定下限循環(huán)加卸載

2.2.1 Felicity效應(yīng)

充填體在循環(huán)載荷的作用下，所受荷載小于之前最高荷載時(shí)，產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)有顯著增加，此現(xiàn)象被稱為Felicity效應(yīng)^[26]。Felicity比值可以直觀地表現(xiàn)充填體在循環(huán)加卸載過程中聲發(fā)射的記憶程度，且可以表明材料的損傷情況，F(xiàn)elicity比值越小，材料的損傷情況越嚴(yán)重。

Felicity定義為

RFi=σ^AEi/σ^maxi－1

（1）

式中 RFi為第i次循環(huán)中Felicity比值，σ^AEi為第i組循環(huán)過程中有效聲發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，MPa，σ^maxi－1為第i-1組循環(huán)過程中的最大應(yīng)力值，MPa。

恒定下限循環(huán)加卸載路徑各循環(huán)Felicity比值曲線如圖8所示，以廢石含量10%尾砂膠結(jié)充填體為例，F(xiàn)elicity比值與循環(huán)次數(shù)的擬合曲線如圖9所示。

不同廢石含量尾砂膠結(jié)充填體在循環(huán)加卸載過程中Felicity比值均呈下降趨勢(shì)，第2與第3次循環(huán)過程中，F(xiàn)elicity比值均大于1，表明此時(shí)充填體處于壓密階段及彈性階段初期，充填體內(nèi)部原生孔隙結(jié)構(gòu)在低應(yīng)力下閉合釋放能量從而產(chǎn)生聲發(fā)射。第4次循環(huán)時(shí)，F(xiàn)elicity比值均在1附近，表明充填體此時(shí)處于彈性變形階段，該階段聲發(fā)射的記憶效應(yīng)明顯。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，充填體所承受的應(yīng)力逐漸提高，進(jìn)入彈性階段后期和屈服破壞階段，充填體內(nèi)部裂紋開始生成并不斷擴(kuò)展發(fā)育。第6次循環(huán)之后，試件Felicity比值大幅降低，此時(shí)充填體已進(jìn)入破壞階段，充填體內(nèi)部裂隙迅速擴(kuò)展貫通，損傷程度與不可逆程度升高，直至試驗(yàn)結(jié)束。

2.2.2 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)

充填體恒定下限循環(huán)加卸載過程中聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)曲線如圖10所示，恒定下限循環(huán)加卸載過程中的聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)“峰谷”現(xiàn)象，分析振鈴計(jì)數(shù)散點(diǎn)分布特征，主要可分為3個(gè)階段。

第1階段：第1，2次循環(huán)。在前2次循環(huán)加載過程中，充填體處于壓密階段與彈性階段初期，在循環(huán)載荷作用下充填體內(nèi)部原生孔隙被逐漸壓密，此階段充填體損傷程度較小，因此只有少量聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)量產(chǎn)生。

第2階段：第3，4次循環(huán)。此時(shí)充填體由彈性階段進(jìn)入屈服階段，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線增長(zhǎng)緩慢，充填體內(nèi)部顆粒在外載荷作用下開始相對(duì)滑動(dòng)，并產(chǎn)生微裂紋，該階段充填體內(nèi)部裂隙的生成與擴(kuò)展速度平穩(wěn)緩慢，未出現(xiàn)較高值振鈴信號(hào)。

第3階段：第5次循環(huán)開始。充填體完全進(jìn)入屈服階段，該階段累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線增長(zhǎng)明顯，充填體內(nèi)部裂隙不斷增多，裂隙發(fā)育擴(kuò)展形成不可逆轉(zhuǎn)性較大損傷，導(dǎo)致聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)及其累計(jì)值在循環(huán)過程中發(fā)生激增，充填體的損傷不斷加重直至完全損傷破壞，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)也隨著充填材料的破壞達(dá)到最值。

從整體上看，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)呈“階梯式”增長(zhǎng)，這是由于荷載超過前一峰值點(diǎn)時(shí)，處于平衡狀態(tài)的損傷裂隙繼續(xù)發(fā)育、擴(kuò)展，并伴隨新生裂隙的產(chǎn)生，釋放更多的損傷信號(hào)。廢石含量為0%、10%、20%和30%的充填體在恒下限循環(huán)加卸載下的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)分別為16.51×10⁴，23.54×10⁴，26.09×10⁴和8.65×10⁴次，呈先增大后減小趨勢(shì)，廢石含量20%時(shí)，達(dá)到最大值，此時(shí)充填體內(nèi)部損傷程度最大，造成此現(xiàn)象的原因在于少量廢石顆粒的加入提高了充填材料內(nèi)部的致密程度，試件脆性更強(qiáng)，發(fā)生破壞時(shí)釋放的聲發(fā)射信號(hào)更加活躍，因此充填體破壞的損傷程度也更加劇烈^[27]。廢石含量過高時(shí)，在相同含量膠凝材料前提下，廢石顆粒表面平均分配的膠凝材料含量減少，從而降低充填體強(qiáng)度，因此產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)較少。

2.2.3 聲發(fā)射能量

聲發(fā)射能量表示充填材料內(nèi)部損傷程度。充填體恒定下限循環(huán)加卸載過程中能量與累計(jì)能量曲線如圖11所示，聲發(fā)射能量與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)規(guī)律相似，能量散點(diǎn)圖對(duì)應(yīng)時(shí)間應(yīng)力曲線均呈“峰谷”現(xiàn)象，累計(jì)能量呈“階梯狀”上升趨勢(shì)，原因在于：循環(huán)加卸載過程中，充填材料的損傷主要發(fā)生在每次循環(huán)的峰值點(diǎn)應(yīng)力處，短時(shí)間內(nèi)充填材料所受載荷迅速提高到新高，充填材料內(nèi)損傷迅速形成，聲發(fā)射活動(dòng)活躍，釋放較多聲發(fā)射信號(hào)。

循環(huán)加卸載前期聲發(fā)射能量普遍偏低，隨著循環(huán)加卸載的不斷加劇，開始出現(xiàn)高能聲發(fā)射信號(hào)，其原因在于：循環(huán)加卸載前期，充填材料所受載荷低，充填材料內(nèi)部主要發(fā)生微裂隙的形成與壓密此類低能量事件，充填材料損傷程度較小，因此所釋放聲發(fā)射信號(hào)能量偏低。隨著循環(huán)加卸載峰值應(yīng)力的不斷提高，充填體的損傷程度逐漸加劇，此時(shí)充填體內(nèi)微裂隙不斷擴(kuò)展發(fā)育形成大裂隙，較大裂隙的形成屬于高能量事件，開始釋放的高能聲發(fā)射信號(hào)，在累計(jì)能量曲線表現(xiàn)為循環(huán)加卸載前期累計(jì)能量上升階梯較低，后期累計(jì)能量上升階梯較高。

廢石含量為0%、10%、20%和30%的充填體釋放的聲發(fā)射能量分別為4.92×10⁴，3.19×10⁴，8.22×10⁴和2.03×10⁴ mV·mS，隨廢石含量的增加，充填材料損傷程度呈先加劇后減弱趨勢(shì)，廢石含量20%的充填體損傷程度最為劇烈，其原因在于少量廢石含量的充填體脆性更強(qiáng)，試件破壞瞬間內(nèi)部損傷裂紋的發(fā)育和擴(kuò)展促進(jìn)了聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生，與2.2.2節(jié)中振鈴計(jì)數(shù)規(guī)律具有一致性。

2.3 等幅循環(huán)加卸載

2.3.1 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)

充填體等幅循環(huán)加卸載過程中聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)曲線如圖12所示，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)散點(diǎn)分布特征同樣呈現(xiàn)“峰谷”現(xiàn)象，其原因在于等幅循環(huán)加卸載狀態(tài)下充填體同樣處于不斷回彈與壓密的狀態(tài)，充填體內(nèi)聲發(fā)射活動(dòng)隨加卸載過程呈現(xiàn)較規(guī)律的“峰谷”狀波動(dòng)。

每組循環(huán)首次加載至目標(biāo)應(yīng)力時(shí)振鈴計(jì)數(shù)“峰”最高，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，振鈴計(jì)數(shù)“峰”值在降低，其原因在于首次加載至目標(biāo)應(yīng)力值的過程中，充填材料所承載應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到新高，此時(shí)在應(yīng)力作用下，充填體會(huì)產(chǎn)生一定形變，同時(shí)生成裂隙結(jié)構(gòu)，對(duì)充填材料內(nèi)部造成一定程度的損傷，從而釋放較多聲信號(hào)，隨著循環(huán)的進(jìn)行，試件的聲發(fā)射信號(hào)逐漸降低，其原因在于充填體受載狀態(tài)未達(dá)到新高，充填材料損傷程度并未出現(xiàn)明顯加劇，同時(shí)不斷的循環(huán)過程對(duì)充填體有一定壓密作用，充填體內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)越來(lái)越弱，從而導(dǎo)致充填體的硬度有一定提升，因此聲發(fā)射信號(hào)逐漸減少。當(dāng)進(jìn)入下一組循環(huán)后，充填體受載狀態(tài)達(dá)到新高，造成更高程度的損傷，從而產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)也高于前一組循環(huán)。

等幅循環(huán)加卸載累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)呈現(xiàn)“階梯”狀上漲，其上漲主要發(fā)生在2組循環(huán)的交替階段，完成本組循環(huán)后進(jìn)入下一組循環(huán)，充填材料所受載荷達(dá)到新高，內(nèi)部開始產(chǎn)生新的裂隙，聲發(fā)射活動(dòng)開始活躍，振鈴計(jì)數(shù)增多從而造成累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)階梯式增長(zhǎng)。

廢石含量為0%，10%，20%，30%的充填體在等幅循環(huán)加卸載下累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)分別為13.13×10⁴，19.85×10⁴，14.79×10⁴，11.73×10⁴次，呈先增大后減小趨勢(shì)，廢石含量為10%的充填體損傷程度最大，其原因在于加入適當(dāng)?shù)膹U石顆粒降低了充填材料內(nèi)部表面積，在等幅循環(huán)加載模式下具有更高的硬度，在發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí)釋放更多的聲發(fā)射信號(hào)。

2.3.2 聲發(fā)射能量

等幅循環(huán)加卸載過程中聲發(fā)射能量曲線如圖13所示，聲發(fā)射能量散點(diǎn)集中分布于每組循環(huán)首次加卸載過程中，隨后的循環(huán)加卸載過程中聲發(fā)射能量大幅降低，每組循環(huán)首次加載至應(yīng)力新高時(shí)，充填體內(nèi)產(chǎn)生一定新生裂隙，因此釋放較多高能信號(hào)，首次達(dá)到應(yīng)力信號(hào)后再進(jìn)行循環(huán)加卸載，充填體內(nèi)并無(wú)新的裂隙生成，主要活動(dòng)情況為膠結(jié)顆粒之間的相對(duì)滑動(dòng)，因此，所釋放聲發(fā)射能量大幅降低。

聲發(fā)射累計(jì)能量曲線隨著循環(huán)的推進(jìn)增度不斷提高，其原因在于，隨著循環(huán)的不斷推進(jìn)，充填材料內(nèi)損傷加劇，同時(shí)，充填體所承載應(yīng)力不斷提高，充填體在循環(huán)過程中開始形成新的裂隙，從而釋放較多聲發(fā)射高能信號(hào)，累計(jì)能量曲線提高。

廢石含量為0%，10%，20%和30%的尾砂膠結(jié)充填體在等幅循環(huán)加卸載下的累計(jì)能量分別為3.79×10⁴，5.29×10⁴，3.6×10⁴和4.04×10⁴ mV·mS，廢石含量10%時(shí)損傷程度最大，與2.3.1節(jié)中規(guī)律一致。

3 結(jié) 論

1）在2種循環(huán)加載路徑下，充填體的抗壓強(qiáng)度均隨著廢石含量的增加先增大后減小，且在廢石含量10%時(shí)達(dá)到最大，在恒定下限循環(huán)加卸載和等幅循環(huán)加卸載路徑下的強(qiáng)度分別為3.94 MPa和3.63 MPa，少量廢石可降低充填體內(nèi)部整體表面積，一定程度上提高充填體的抗壓強(qiáng)度；充填體力學(xué)強(qiáng)度受循環(huán)加卸載方式的影響，等幅循環(huán)加卸載對(duì)充填材料整體起到不斷壓密的作用，相較于恒定下限循環(huán)加卸載，其力學(xué)強(qiáng)度略高。

2）恒定下限循環(huán)加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線存在明顯滯回環(huán)效應(yīng)，滯回環(huán)面積可等效為充填材料損傷釋放的能量，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，對(duì)應(yīng)的滯回環(huán)面積越來(lái)越大，損傷程度不斷擴(kuò)大，該方式可判斷充填材料在循環(huán)過程中的損傷程度與速度。

3）2種循環(huán)加卸載方式下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)均呈現(xiàn)“峰谷現(xiàn)象”，累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)均呈“階梯”式上漲，振鈴計(jì)數(shù)值越高，充填材料內(nèi)部損傷事件數(shù)越多；恒定下限循環(huán)加卸載可利用Felicity效應(yīng)進(jìn)行損傷程度判斷，F(xiàn)elicity值與循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)性，隨循環(huán)次數(shù)的增大不斷降低，充填材料損傷程度不斷增大。

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（責(zé)任編輯：劉潔）