類巖石材料變形損傷與波速關(guān)系試驗(yàn)研究

張金浩 陳洪凱 王賀

摘要：通過單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)合超聲波量測，得到波速隨加載過程的變化值，以此定義類巖石材料的損傷點(diǎn)。試件在制作和成型過程中不可避免地存在初始損傷，將其定義為第一損傷點(diǎn)；當(dāng)試件局部有裂紋出現(xiàn)，波速隨應(yīng)變的增大陡然減小，將其定義為第二損傷點(diǎn)；隨即利用超聲波儀器檢測該局部波速的變化，當(dāng)波速明顯急劇減小時(shí)，說明已經(jīng)達(dá)到損傷極限值，將其定義為第三損傷點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，采用分段曲線擬合，得到基于波速變化的損傷演變?cè)囼?yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

關(guān)鍵詞：單軸壓縮試驗(yàn)；超聲波量測；損傷點(diǎn)；變形損傷；類巖石材料

中圖分類號(hào)：TU458

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.022

大多數(shù)地下工程結(jié)構(gòu)（擋土墻、樁基礎(chǔ)、隧道襯砌）由類巖石材料構(gòu)成，其處于受壓狀態(tài)，隨著壓力的施加，材料內(nèi)部易出 現(xiàn)微裂縫延伸和擴(kuò)展，造成損傷積累，最終出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)，導(dǎo)致工程整體發(fā)生破壞，甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，開展類巖石材料變形損傷檢測試驗(yàn)研究相當(dāng)重要。

近年來，超聲波技術(shù)以儀器體積小、操作簡捷、判別缺陷清晰等優(yōu)點(diǎn)，在檢測結(jié)構(gòu)的損傷缺陷中得到了廣泛應(yīng)用。史瑾瑾等針對(duì)巖石試樣進(jìn)行了損傷沖擊試驗(yàn)，探究了波速變化率與巖石試樣損傷程度之間的關(guān)系；張曉春等 利用小波變換分析巖石超聲波檢測信號(hào)，了解到巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性和物理力學(xué)特性，建立了巖石超聲測試試驗(yàn)系統(tǒng)；韓放等使用超聲波對(duì)巖石損傷擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，利用檢測結(jié)果對(duì)巖石試樣的損傷程度進(jìn)行了定量分析；翟小潔等 通過超聲波對(duì)單軸壓縮試驗(yàn)中巖石擴(kuò)容現(xiàn)象進(jìn)行測試，證明了不同巖石在單軸壓縮過程中擴(kuò)容的時(shí)間和程度存在差異；鄭志遠(yuǎn)等測量了超聲波在巖石中的傳播速度，對(duì)巖石成分、孔隙度、吸水量以及巖石溫度等參數(shù)對(duì)超聲波傳播速度的影響進(jìn)行了分析；梁天成等對(duì)巖樣進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，實(shí)時(shí)測量了試件損傷過程中的超聲波波速和聲發(fā)射參數(shù)，探討了損傷擴(kuò)展中波速與聲發(fā)射之間的變化規(guī)律：吳振祥等利用小波變換的多分辨率理論對(duì)不同循環(huán)次數(shù)下的巖石超聲波信號(hào)進(jìn)行分解變換，實(shí)現(xiàn)不同頻帶分量的獨(dú)立分析，提取隨損傷敏感變化的波譜參數(shù)：李浩然等 通過單軸加載及循環(huán)荷載試驗(yàn)，對(duì)鹽巖變形破壞特征及聲波、聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入研究；梁利喜等基于波動(dòng)理論和有限差分方法，進(jìn)行聲波透射數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究巖體孔洞形狀、尺寸、分布及密度對(duì)聲波衰減系數(shù)的影響；李成波等采用回歸分析方法建立了巖石介質(zhì)中彈性參數(shù)與波速的關(guān)系；許延春等 通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M巖體裂隙及注漿過程，應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)測定巖體在不同裂隙寬度下的聲波傳播速度，并對(duì)比分析了巖體注漿前后、干式狀態(tài)及濕式狀態(tài)的波速變化規(guī)律；李浩然等利用巖石聲波系統(tǒng)研究了單軸荷載、循環(huán)荷載以及三軸壓縮試驗(yàn)中鹽巖的變形破壞特征與聲波、聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律；朱維等 通過數(shù)值模擬以及不同巖石的超聲檢測試驗(yàn)，分析了巖石特性對(duì)編碼信號(hào)脈沖壓縮性能的影響。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以類巖石試件損傷點(diǎn)為研究對(duì)象，利用單軸壓縮試驗(yàn)和超聲波檢測技術(shù)，研究加載過程中超聲波波速的變化，分析試件的變形損傷演變過程。

1試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>

模型材料普通硅酸鹽水泥、河砂、水的配合比為1：3：0.72，模型試件尺寸為150mm×150mm×150mm。試件成型后養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期（28d）進(jìn)行試驗(yàn)。選擇試件的對(duì)稱面畫上網(wǎng)格線，以便于超聲波量測點(diǎn)對(duì)中，對(duì)稱面上布置的超聲波量測點(diǎn)Ll#～L7#是發(fā)射點(diǎn)，Rl#～R7#是接收點(diǎn)，見圖1。利用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-301多功能電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行巖石的單軸壓縮試驗(yàn)，采用位移控制，中等位移速率為0.002mm/s，逐級(jí)施加荷載至試件破壞，每一級(jí)荷載增加量為1.5MPa，加載后保持1～2min，用DJUS-05非金屬超聲波儀對(duì)波速進(jìn)行量測。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

如果假設(shè)巖石是由巖石母質(zhì)和微裂紋所組成的各向同性體，則可采用超聲波的波速來定義巖石的損傷

。根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取5個(gè)試件進(jìn)行分析，5個(gè)試件各測點(diǎn)在加載過程中波速與應(yīng)變關(guān)系見圖2。

測點(diǎn)1#、2#、3#的初始波速值比較接近，測點(diǎn)5#、6#、7#的初始波速值比較接近。原因是測點(diǎn)1#、2#、3#布置在試件的上半部分，測點(diǎn)5#、6#、7#布置在試件的下半部分，試件在成型過程中，由于拌制和振搗使得上半部分的砂漿因自重而向下半部分的微孔洞、氣孔滑移，另外試件上半部分在養(yǎng)護(hù)過程中水分的蒸發(fā)量比下半部分大，導(dǎo)致上半部分的密實(shí)效果沒有下半部分好，因此測點(diǎn)1#、2#、3#的初始波速值比測點(diǎn)5#、6#、7#的初始波速值小。4#測點(diǎn)密實(shí)效果處于上、下半部分之間，因此會(huì)出現(xiàn)初始波速值不同于其他測點(diǎn)的現(xiàn)象。

整個(gè)波速與應(yīng)變曲線可分為4個(gè)區(qū)，見圖3。

（1）損傷彈性區(qū)。波速一應(yīng)變曲線平穩(wěn)，波速變化不大。試件在制作和成型過程中不可避免地存在初始損傷（微裂隙、氣泡等），當(dāng)荷載較小時(shí)，整個(gè)試件受力處于損傷彈性階段，卸載時(shí)損傷可以恢復(fù)。圖3中ε0對(duì)應(yīng)損傷彈性臨界點(diǎn)，定義為第一損傷點(diǎn)。

（2）損傷過渡區(qū)。繼續(xù)加載，試件表面局部出現(xiàn)裂紋，波速隨應(yīng)變的增大陡然減小，損傷不能恢復(fù)，若停止加載，則裂紋擴(kuò)展中止。圖3中εc 對(duì)應(yīng)彈性損傷與塑性損傷分界點(diǎn)，定義為第二損傷點(diǎn)。

（3）損傷擴(kuò)展區(qū)。繼續(xù)施加荷載，損傷累積，表面裂紋開始擴(kuò)展，波速隨應(yīng)變的增大明顯減小；試件內(nèi)部原有微裂縫發(fā)展延伸，導(dǎo)致微裂縫之間擴(kuò)展貫通，初始裂縫寬度顯著增大，裂縫擴(kuò)展極不穩(wěn)定，損傷區(qū)范圍擴(kuò)大，但還沒有發(fā)生失穩(wěn)破壞。圖3中εu對(duì)應(yīng)應(yīng)力峰值點(diǎn)，定義為第三損傷點(diǎn)。

（4）斷裂擴(kuò)展區(qū)。表面裂縫不斷擴(kuò)展，新的裂紋將沿著一條或多條薄弱的路徑逐漸貫通，超聲波的波速隨著應(yīng)變的增大驟然減小，試件由連續(xù)性介質(zhì)逐步變成不連續(xù)性介質(zhì)，最終發(fā)展到全損傷狀態(tài)，試件喪失承載能力發(fā)生破壞。

綜上所述，利用波速的變化可以監(jiān)測試件的變形，試件局部出現(xiàn)裂紋表明材料已經(jīng)發(fā)生塑性損傷，此時(shí)利用超聲波儀器檢測波速的變化，當(dāng)波速急劇減小時(shí)，說明試件已經(jīng)達(dá)到損傷極限值，需要及時(shí)采取措施增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

3損傷演變模型的建立

將巖石視為各向同性，因此各個(gè)測點(diǎn)的波速隨應(yīng)變的變化是相同的。選取3#測點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合，得到波速與應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式（見表1）。

基于波速變化的損傷演變?cè)囼?yàn)?zāi)Ｐ蜑槭街校篴、b、c、d、e、f、g為曲線參數(shù)，通過實(shí)測數(shù)據(jù)求得。

式（1）需滿足連續(xù)性條件，將（ε0，v0）、（εc，vc）代人v=aε+b，整理得：

4結(jié)語

（1）將巖石視為各向同性，通過單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)合超聲波量測，得到加載過程中波速的變化值，從試驗(yàn)結(jié)果來看，所有試件具有相似的波速一應(yīng)變曲線。

（2）根據(jù)波速一應(yīng)變曲線定義材料的損傷點(diǎn)；試件在制作和成型過程中不可避免地存在初始損傷，為第一損傷點(diǎn)；當(dāng)試件局部出現(xiàn)裂紋時(shí)，表明結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生塑性損傷，定義為第二損傷點(diǎn)；利用超聲波儀器檢測該局部波速，當(dāng)波速急劇減小時(shí)，說明已經(jīng)達(dá)到損傷極限點(diǎn)，定義為第三損傷點(diǎn)。

（3）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合，得到了基于波速變化的損傷演變?cè)囼?yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

（4）超聲波頻率越高，探測距離越小，精度越高，用來檢測變形損傷是可行的。

本次試驗(yàn)條件有限，采用水泥砂漿試件模擬巖石存在一定的局限性。今后將對(duì)不同巖石材料展開試驗(yàn)研究，以獲取更為貼切的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入研究類巖石材料的變形損傷機(jī)理。