灰?guī)r三軸卸荷力學(xué)特性及聲發(fā)射特征的高溫后效應(yīng)

陳海清，孟陸波

（成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

煤炭的地下氣化、瓦斯爆炸、煤炭自燃等現(xiàn)象會(huì)使周圍的巖體經(jīng)歷一定的高溫作用，這時(shí)周邊圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生較大的變化。在此環(huán)境下從事工程開挖活動(dòng)需要知道巖石高溫后效應(yīng)，因此研究巖石卸荷高溫后效應(yīng)非常必要。對于卸荷試驗(yàn)，前人已經(jīng)做了大量的研究。張成良、邱士利、王在泉[1-6]等研究了巖石不同卸荷路徑下的破壞規(guī)律和機(jī)制、變形特征。聲發(fā)射中諸多參數(shù)對巖石破壞過程的研究有很大參考價(jià)值，蘇承東、陳亮[7-8]等比較了巖石在不同應(yīng)力路徑下的聲發(fā)射特征和力學(xué)特征；叢宇、RUDAJEV V、劉倩穎[9-11]等通過巖石的聲發(fā)射和力學(xué)特征得出巖石破壞前兆的聲發(fā)射特征。巖石在經(jīng)歷過高溫后，其內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生一系列變化，Kong Biao、Zhang J L[12-13]等研究了巖石高溫后，單軸壓縮下的聲發(fā)射特征；徐小麗[14]等研究了不同溫度作用后花崗巖的力學(xué)性質(zhì)和破壞模式；李建林、蔡燕燕[15-16]等研究了高溫后巖石在三軸卸荷試驗(yàn)中的力學(xué)特征和破壞模式與溫度的關(guān)系；吳剛[17]等比較了鹽巖在加載過程中高溫后和高溫下聲發(fā)射演變過程。目前學(xué)者們大多數(shù)是通過常規(guī)三軸試驗(yàn)或卸荷試驗(yàn)研究巖石的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征，對高溫后巖石的聲發(fā)射特征研究較少。故通過三軸卸荷試驗(yàn)研究灰?guī)r卸荷過程中力學(xué)特性和聲發(fā)射特征的高溫后效應(yīng)，以期為在高溫作用后的地層中從事工程活動(dòng)提供理論指導(dǎo)。

1 儀器設(shè)備及方案

1.1 巖樣制備

巖樣取自成蘭鐵路茂縣段。將灰?guī)r加工成直徑45 mm，高100 mm的圓柱體試件，試件端部平面磨平到±0.02 mm，高度精確到1 mm，端面應(yīng)垂直于試樣軸線，允許偏差為±0.25°，試件沒有明顯的裂紋和節(jié)理等缺陷。

1.2 主要儀器設(shè)備

試驗(yàn)加熱設(shè)備采用SX2箱式電阻爐，該電阻爐的最高加熱溫度是1 300℃；加載系統(tǒng)采用MTS-815型程控伺服剛性試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)能施加的最大軸向荷載為4 600 kN，最大圍壓為140 MPa；聲發(fā)射測試采用美國PAC公司研制的Micro-Ⅱ型聲發(fā)射控制采集系統(tǒng)，門檻值為35 dB,信號最大幅值可達(dá)100 dB。

1.3 試驗(yàn)方案

1）對制備好的巖樣進(jìn)行縱波波速測試，根據(jù)波速測試結(jié)果剔除波速差異大的。

2）對試件進(jìn)行加熱，試驗(yàn)分7個(gè)溫度段：常溫（25 ℃）、100、200、300、400、600、800 ℃，以 5 ℃/min的速率加溫至指定溫度，然后保持該溫度2 h，之后在加溫爐爐膛內(nèi)自然冷卻至室溫。

3）對加熱冷卻后的巖樣進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，將峰值強(qiáng)度的60%作為三軸卸荷試驗(yàn)的卸荷點(diǎn)；試驗(yàn)開始時(shí)先將圍壓按照靜水壓力加載到預(yù)定圍壓30 MPa，然后以0.63 MPa/s施加軸向應(yīng)力至卸荷點(diǎn)；再以0.05 MPa/s速率卸圍壓，同時(shí)以0.04 mm/min的速率施加軸向荷載直至巖樣破壞，試驗(yàn)開始時(shí)同步進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測。

2 力學(xué)特性

2.1 力學(xué)參數(shù)分析

巖石在不同溫度作用后，會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷。對不同溫度作用后的灰?guī)r在圍壓30 MPa條件下進(jìn)行三軸卸荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表中可以看出，在100℃時(shí)，峰值強(qiáng)度最大，相比于常溫增加了36%，溫度高于100℃時(shí)，隨著溫度的升高，峰值強(qiáng)度逐漸減小，相較于常溫，800℃時(shí)減小了7%；溫度低于400℃時(shí)，峰值強(qiáng)度比常溫狀態(tài)下高，高于400℃時(shí)，峰值強(qiáng)度比常溫下低；在200~400℃，峰值強(qiáng)度隨著溫度的升高基本上呈線性降低，高于400℃后，峰值強(qiáng)度隨著溫度的升高下降的幅度逐漸減小。不同溫度作用后灰?guī)r的彈性模量變化比較離散，但總體上和峰值強(qiáng)度的變化趨勢相同，泊松比則與峰值強(qiáng)度的變化趨勢相反。表明溫度對灰?guī)r既有劣化又有強(qiáng)化作用，低于400℃時(shí)，溫度對灰?guī)r具有強(qiáng)化作用，高于400℃時(shí)，溫度對灰?guī)r又具有劣化作用。

表1 不同溫度作用后三軸卸荷試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)

2.2 擴(kuò)容特性分析

擴(kuò)容是巖石破壞的前兆信息，研究巖石擴(kuò)容特征對工程實(shí)踐具有重大意義。表1給出了不同溫度作用后灰?guī)r擴(kuò)容應(yīng)力大小及其應(yīng)力水平。在常溫狀態(tài)下，灰?guī)r擴(kuò)容應(yīng)力接近峰值強(qiáng)度，擴(kuò)容應(yīng)力水平為97.8%；經(jīng)過高溫處理后，擴(kuò)容應(yīng)力水平隨著溫度的升高逐漸增大，但較常溫狀態(tài)下小。表明溫度能降低灰?guī)r的擴(kuò)容應(yīng)力水平，高溫處理后，隨著溫度的升高，擴(kuò)容應(yīng)力水平又逐漸增大。

對高溫處理后灰?guī)r擴(kuò)容應(yīng)力水平與相應(yīng)溫度進(jìn)行擬合，得到的確高溫作用后灰?guī)r擴(kuò)容應(yīng)力水平隨溫度變化關(guān)系如圖1。

圖1 擴(kuò)容應(yīng)力水平與溫度擬合關(guān)系

擬合分程為：y=0.028 6x+63.404 7。二者相關(guān)性R2=0.98，說明該關(guān)系式能很好的吻合擴(kuò)容應(yīng)力水平與溫度關(guān)系。

3 聲發(fā)射特征

3.1 應(yīng)力-計(jì)數(shù)率-時(shí)間關(guān)系

不同溫度作用后灰?guī)r的應(yīng)力差-計(jì)數(shù)率-時(shí)間關(guān)系圖如圖2和圖3。卸圍壓前，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率比較平靜，400℃前，計(jì)數(shù)率很少甚至沒有，400℃后，計(jì)數(shù)率維持在一定水平；卸圍壓后，剛開始與卸圍壓前相比計(jì)數(shù)率沒有大的變化，當(dāng)應(yīng)力快到峰值強(qiáng)度時(shí)，計(jì)數(shù)率開始變得活躍起來。常溫狀態(tài)下聲發(fā)射計(jì)數(shù)率比100~300℃下活躍，沒有高于400℃下活躍；隨著溫度的升高，灰?guī)r的最大振鈴計(jì)數(shù)率依次為8 749、16 584、11 957、9 378、3 997、3 463、3 200，在100~800℃，隨著溫度的升高，最大振鈴計(jì)數(shù)率逐漸降低；在400℃前，最大振鈴計(jì)數(shù)率維持在較高水平，并且比常溫下大，400℃后，最大振鈴計(jì)數(shù)率維持在一個(gè)相對較低水平，比常溫狀態(tài)下??；灰?guī)r最大振鈴計(jì)數(shù)率并不發(fā)生在峰值強(qiáng)度處，而是在峰值強(qiáng)度附近。聲發(fā)射計(jì)數(shù)率在400℃前后表現(xiàn)出明顯的差異性，能較好反映灰?guī)r在外力作用下的損傷過程，其變化規(guī)律與力學(xué)變化特征吻合。

圖2 25~400℃作用后應(yīng)力差-計(jì)數(shù)率-時(shí)間關(guān)系

圖3 600~800℃作用后應(yīng)力差-計(jì)數(shù)率-時(shí)間關(guān)系

3.2 應(yīng)力-累計(jì)能量-時(shí)間關(guān)系

不同溫度作用后灰?guī)r應(yīng)力差-累計(jì)能量-時(shí)間關(guān)系圖如圖4和圖5。累計(jì)能量隨著時(shí)間的增加而逐漸增長，在常溫和100℃下，巖樣峰前只有很少的能量釋放，在累計(jì)能量-時(shí)間關(guān)系曲線上表現(xiàn)為累計(jì)能量與時(shí)間軸非常接近，在100℃后，從開始就可明顯發(fā)現(xiàn)有部分能量釋放，且總體上巖樣完全破壞時(shí)釋放的總能量隨著溫度的升高而逐漸降低。對于高溫作用后的灰?guī)r，累計(jì)能量-時(shí)間曲線每次突增，一段時(shí)間延遲后，都有相應(yīng)的“陡降式”應(yīng)力降產(chǎn)生，且累計(jì)能量-時(shí)間曲線開始突增預(yù)示著灰?guī)r即將達(dá)到峰值強(qiáng)度，從而發(fā)生破壞。表明除100℃外，高溫作用后的灰?guī)r在外力作用過程中，更易釋放能量，巖樣內(nèi)部裂紋的形成、擴(kuò)展及貫通更易進(jìn)行。

圖4 25℃~100℃作用后應(yīng)力差-累計(jì)能量-時(shí)間關(guān)系

圖5 200℃~800℃作用后應(yīng)力差-累計(jì)能量-時(shí)間關(guān)系

4 結(jié)論

1）溫度對灰?guī)r既有劣化又有強(qiáng)化作用，低于400℃時(shí)，溫度對灰?guī)r具有強(qiáng)化作用，高于400℃時(shí)，溫度對灰?guī)r具有劣化作用。

2）高溫作用后的灰?guī)r，隨著溫度的升高，峰值強(qiáng)度和彈性模量總體上逐漸降低，泊松比逐漸增大，擴(kuò)容點(diǎn)強(qiáng)度越來越接近峰值強(qiáng)度。溫度能降低灰?guī)r的擴(kuò)容應(yīng)力水平，高溫處理后，隨著溫度的升高，擴(kuò)容應(yīng)力水平又逐漸增大。

3）聲發(fā)射計(jì)數(shù)率在400℃前后表現(xiàn)出明顯的差異性，其變化規(guī)律與力學(xué)變化特征吻合，而且最大振鈴計(jì)數(shù)率并不發(fā)生在峰值強(qiáng)度處，而是在峰值強(qiáng)度附近。

4）累計(jì)能量-時(shí)間曲線每次突增，一段時(shí)間延遲后，都有相應(yīng)的“陡降式”應(yīng)力降產(chǎn)生；除100℃外，高溫作用后的灰?guī)r在外力作用過程中更易釋放能量，巖樣內(nèi)部裂紋的形成、擴(kuò)展以及貫通更易進(jìn)行。