李煒強(qiáng)，李冬偉，成 功

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中核集團(tuán)高放廢物地質(zhì)處置評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引 言

隨著礦山開(kāi)采、水利水電和交通隧道等大型巖土工程建設(shè)遍布全國(guó)，工程建設(shè)條件和工藝手段日趨復(fù)雜，常伴隨沖擊地壓、巖爆、突水、滑坡等強(qiáng)烈的動(dòng)力學(xué)災(zāi)害[1]。而以上動(dòng)力學(xué)災(zāi)害的實(shí)質(zhì)是工程擾動(dòng)引起的應(yīng)力場(chǎng)重新分布，誘發(fā)巖體內(nèi)部微破裂萌生貫通，最終形成巖體變形破壞失穩(wěn)[2-3]。因此，開(kāi)展微觀破裂時(shí)空孕育演化規(guī)律研究是揭示宏觀破壞失穩(wěn)的有效手段。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用不同的科學(xué)手段探究了微破裂起裂、傳播和貫通的發(fā)展過(guò)程，而聲發(fā)射(acoustic emission，AE)作為巖石破壞過(guò)程中的一種伴生現(xiàn)象，蘊(yùn)含著巖石內(nèi)部損傷過(guò)程的大量信息[4-7]。WANG[8-9]將聲發(fā)射參數(shù)演化突變特征作為判斷巖石整體破壞失穩(wěn)的前兆信息；裴建良等[10]通過(guò)定義AE大事件來(lái)分析含不同裂隙類(lèi)型的巖石自然裂隙動(dòng)態(tài)演化規(guī)律；鄧緒彪等[11]通過(guò)定義AE平臺(tái)、AE階梯、主頻帶、貫頻、加密集聚等特征，來(lái)整體呈現(xiàn)聲發(fā)射演化規(guī)律。聲發(fā)射作為破裂源的伴生波，其波形特征勢(shì)必能反映出受力狀態(tài)、破裂強(qiáng)度及破裂尺度，日本學(xué)者OHTSU等[12]通過(guò)將波形參數(shù)進(jìn)行組合處理來(lái)研究波形參數(shù)與巖石微觀破裂類(lèi)型之間的響應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)巖石微破裂類(lèi)型和RA-AF兩參數(shù)之間存在較好的關(guān)聯(lián)性，此成果已被列入日本混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[13]。

本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，開(kāi)展單軸壓縮砂巖聲發(fā)射試驗(yàn)，利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)和高速攝像技術(shù)實(shí)時(shí)記錄砂巖變形失穩(wěn)過(guò)程，結(jié)合波形信息與巖石破裂之間的響應(yīng)關(guān)系，分析砂巖變形各階段聲發(fā)射參數(shù)變化特征，探究失穩(wěn)前兆信息。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用砂巖試樣均取自山西呂梁某礦8號(hào)煤層底板巖層，因本次試驗(yàn)嘗試應(yīng)用室內(nèi)矩張量反演理論，為滿足反演尺寸要求將獲取的樣品加工成尺寸為直徑70 mm和高度140 mm的圓柱體試件。為提高試驗(yàn)結(jié)果的精確度和穩(wěn)定性，每個(gè)試件兩端面不平行度小于0.02 mm，7塊試件的實(shí)際尺寸和力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖樣尺寸及力學(xué)參數(shù)Table 1 Sample size and mechanical parameters

同時(shí)，利用JSM-7001F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測(cè)砂巖樣品表面形貌特征對(duì)微觀斷面形貌和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。由圖1可知，砂巖微觀斷裂面不平整，存在微觀碎屑和少量原生孔洞及微裂隙。微裂隙和溶洞尺度在幾微米到上百微米之間，裂隙寬度不一，互相不貫通，在外部載荷的作用下極易形成細(xì)觀結(jié)構(gòu)斷裂面。

圖1 1 000倍下砂巖礦相分布圖Fig.1 Mineralogical distribution of the sampleby magnifying 1 000 times

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用加載設(shè)備為2 000 kN巖石三軸剛性壓力試驗(yàn)機(jī)，AE采集設(shè)備為PAC生產(chǎn)的PCI-II型聲發(fā)射信號(hào)采集分析系統(tǒng)；同時(shí)，為實(shí)時(shí)準(zhǔn)確記錄巖石變形失穩(wěn)的過(guò)程，試驗(yàn)采用千眼狼2F04M高速攝像儀拍攝記錄。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Monitoring system

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)設(shè)置五個(gè)Nano.30聲發(fā)射傳感器用于常規(guī)AE模式下數(shù)據(jù)采集，布置方案如圖3所示。傳感器與巖樣表面之間涂抹適量耦合劑以保證接觸充分，并用橡皮泥進(jìn)行固定。將系統(tǒng)門(mén)檻值設(shè)定為45 dB，以減弱環(huán)境噪聲影響，采樣頻率為1 MHz，前置放大器增益設(shè)為40 dB，PDT、HDT和HLT分別設(shè)置為50、150和200。試驗(yàn)開(kāi)始前，先進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，確保各通道信號(hào)采集良好。

圖3 AE傳感器布置圖Fig.3 AE sensors arrangement

試驗(yàn)采用單軸軸向位移控制加載，加載速率為0.1 mm/min，以確保獲得較為完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，AE信號(hào)采集與加載過(guò)程實(shí)時(shí)同步進(jìn)行。高速攝像儀采樣周期設(shè)置為400 μs，采集長(zhǎng)度為45 000幀，保存觸發(fā)前長(zhǎng)度為30 000幀。當(dāng)試樣出現(xiàn)明顯的宏觀破裂時(shí)，手動(dòng)觸發(fā)數(shù)據(jù)保存以捕獲完整的破裂過(guò)程。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 巖石變形破壞聲發(fā)射撞擊參數(shù)演化特征

如圖4所示，一個(gè)AE波形包含幅值、持續(xù)時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)等多個(gè)參數(shù)。聲發(fā)射波形與巖石應(yīng)力演化狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分組成等全部信息存在相關(guān)性，比如波形信號(hào)包絡(luò)線與門(mén)檻電壓圍成圖形的面積值被定義為AE能量，能反映破裂的強(qiáng)度。目前，聲發(fā)射參數(shù)分析主要基于兩種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：AE撞擊和AE事件。當(dāng)一個(gè)聲發(fā)射波形信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)門(mén)檻值并成功被監(jiān)測(cè)設(shè)備某一采集通道記錄到，此波形信號(hào)就被當(dāng)作一次AE撞擊[12]。而一個(gè)聲發(fā)射源的出現(xiàn)會(huì)在巖石介質(zhì)中產(chǎn)生呈球面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，造成一個(gè)AE信號(hào)就會(huì)以撞擊的形式被一個(gè)或多個(gè)采集通道監(jiān)測(cè)并記錄到；當(dāng)同一聲發(fā)射信號(hào)被至少四個(gè)通道監(jiān)測(cè)到并能定位聲發(fā)射震源位置，則將這個(gè)AE信號(hào)當(dāng)成事件，所以AE事件能呈現(xiàn)內(nèi)部損傷時(shí)空演化過(guò)程。

圖4 聲發(fā)射信號(hào)波形參數(shù)Fig.4 AE wave parameters

聲發(fā)射作為巖石破壞過(guò)程的伴生現(xiàn)象，其演化特征在一定程度上能反映巖石破壞的實(shí)時(shí)狀態(tài)。由于篇幅原因，僅以試樣S4為例來(lái)說(shuō)明砂巖破壞特征。如圖5所示，結(jié)合砂巖掃描電鏡圖和力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，分析認(rèn)為砂巖原始微觀缺陷存在相對(duì)較少，尺度較小，造成在加載前期原生微缺陷微孔洞閉合、張開(kāi)等應(yīng)力活動(dòng)相對(duì)較弱，巖石原始缺陷壓密階段內(nèi)撞擊參數(shù)累積較低，絕大部分處于60 dB以下。在彈性變形階段，聲發(fā)射活動(dòng)極少，撞擊累積和能量累積處于近水平狀態(tài)。在550 s左右，試樣發(fā)生塑性變形，撞擊幅值絕大部分處于60 dB以下，撞擊累積數(shù)和能量累積呈線性增長(zhǎng)。試樣在820 s左右進(jìn)入屈服變形階段，聲發(fā)射幅值也大幅增強(qiáng)，大于80 dB的幅值開(kāi)始大量出現(xiàn)，相比其他幾個(gè)階段，強(qiáng)度明顯增大，撞擊累積數(shù)和能量累積也急劇增長(zhǎng)，出現(xiàn)突變拐點(diǎn)，巖石局部表面也集中出現(xiàn)細(xì)小的宏觀裂紋。在950 s左右試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度，試樣出現(xiàn)宏觀破壞，聲發(fā)射活動(dòng)極為活躍。雖然其他試樣撞擊累積數(shù)和能量累積出現(xiàn)的突變拐點(diǎn)并不同步，但緊密發(fā)生在試樣屈服強(qiáng)度左右，且屈服變形階段內(nèi)各參數(shù)值均大幅提升。

圖5 試樣S4撞擊部分特征參數(shù)Fig.5 Characteristic parameters of impact part of sample S4

2.2 巖石微破裂強(qiáng)度時(shí)空演化特征

AE幅值和AE能量均能在一定程度上反映巖石微損傷的強(qiáng)度，由圖6可知，AE幅值和能量間存在類(lèi)冪率函數(shù)的特征關(guān)系。為便于表征不同階段破裂強(qiáng)度的演化過(guò)程，參考里氏震級(jí)計(jì)算方法，將聲發(fā)射震級(jí)取為：Ms=lgA。式中：A為聲發(fā)射事件的幅值，單位dB；同理，將聲發(fā)射能級(jí)取為：Es=lgE。E為聲發(fā)射的能量，單位aJ。計(jì)算結(jié)果表明：震級(jí)與能級(jí)之間存在近似線性關(guān)系，擬合度接近0.96。因此，可以采用高震級(jí)高能級(jí)聲發(fā)射事件表征高破裂強(qiáng)度的微裂紋(圖7)。

圖6 試樣S4聲發(fā)射幅值與能量的關(guān)系Fig.6 Relationship of amplitude and energy ofsample S4 AE

圖7 試樣S4聲發(fā)射事件震級(jí)與能級(jí)關(guān)系Fig.7 Relationship of magnitude and energy level ofsample S4 AE event

圖8為各變形階段內(nèi)經(jīng)過(guò)濾波降噪后的聲發(fā)射事件空間分布特征。圖8中各個(gè)散點(diǎn)球代表一個(gè)聲發(fā)射定位事件，球的直徑大小與聲發(fā)射事件的震級(jí)大小相對(duì)應(yīng)，球的顏色表示事件的能級(jí)。在巖石原始?jí)好芎蛷椥宰冃坞A段，聲發(fā)射事件能級(jí)和震級(jí)均偏低，事件量較少，主要分布在試樣下部。進(jìn)入塑性變形階段后，事件開(kāi)始散落分布在整個(gè)試樣內(nèi)，巖石內(nèi)部裂紋起裂并穩(wěn)定擴(kuò)展，聲發(fā)射活動(dòng)穩(wěn)定，并未出現(xiàn)高能級(jí)和高震級(jí)的聲發(fā)射事件。屈服階段內(nèi)，事件量明顯增多，高能級(jí)高震級(jí)事件集中分布在試樣中上部，并逐漸集結(jié)成核，裂紋數(shù)量和強(qiáng)度迅速增加，超過(guò)臨界狀態(tài)，能量釋放并產(chǎn)生宏觀裂紋。峰值強(qiáng)度過(guò)后，巖石抵抗外界應(yīng)力能力較差；高能級(jí)高震級(jí)事件主要集中在試樣中下部，宏觀次裂紋向下貫通成為宏觀主裂紋。如圖8(e)所示，表面開(kāi)裂集中區(qū)對(duì)應(yīng)性較好，高能級(jí)高震級(jí)事件集中分布區(qū)內(nèi)局部變形較大。因此，巖石內(nèi)部高能級(jí)高震級(jí)事件的集中出現(xiàn)表征著巖石破裂強(qiáng)度增大和局部損傷劣化加劇。

圖8 試樣S4聲發(fā)射事件時(shí)空演化過(guò)程Fig.8 Evolution process of sample S4 AE event

通過(guò)高速攝像記錄可知，進(jìn)入屈服階段后，巖石表面穩(wěn)定出現(xiàn)小尺度宏觀裂紋，緩慢釋放了巖石貯存的部分變形能，調(diào)節(jié)了應(yīng)力平衡狀態(tài)。達(dá)到峰值強(qiáng)度后，巖石表面的宏觀裂紋逐漸貫通。巖石表面首先開(kāi)裂區(qū)與高能級(jí)高震級(jí)事件集中出現(xiàn)區(qū)域位置基本對(duì)應(yīng)(圖9)。

圖9 試樣S4表面裂紋開(kāi)裂形式Fig.9 Crack form of surface crack of sample S4

2.3 巖石微破裂類(lèi)型時(shí)序分布特征

依據(jù)OHTSU等[12]的研究成果和相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將聲發(fā)射波形參數(shù)值與微觀破裂的特征相互關(guān)聯(lián)，RA為上升時(shí)間與振幅的比值，AF(平均頻率)為振鈴計(jì)數(shù)與持續(xù)時(shí)間的比值，利用此評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各試樣AF和RA。依據(jù)各試樣的RA-AF分布情況，取AF與RA比值為8的射線作為破裂類(lèi)型分界線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體結(jié)果如圖10所示。試樣進(jìn)入塑性變形階段，其他類(lèi)型破裂發(fā)生數(shù)量較少，絕大多數(shù)破裂能級(jí)都低于4；當(dāng)進(jìn)入屈服變形階段，其他破裂類(lèi)型開(kāi)始逐漸增多，但是絕大多數(shù)的其他破裂類(lèi)型能級(jí)都低于4，大于能級(jí)4的事件基本都是張拉破裂類(lèi)型；達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，其他破裂類(lèi)型數(shù)量達(dá)到最大值。但通過(guò)整體來(lái)看，張拉破裂的能級(jí)總是高于其他破裂能級(jí)。其余的試樣進(jìn)入屈服變形階段也存在同樣的變化特征，因而此現(xiàn)象可以作為巖石破壞失穩(wěn)的前兆信息(圖11)。

圖10 試樣S4微破裂類(lèi)型分布Fig.10 Distribution of sample S4 microfracture type

圖11 試樣S4微破裂時(shí)序演化特征Fig.11 Evolution characteristics of sample S4 microfracture

3 結(jié) 論

1) 試樣達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，高幅值聲發(fā)射活動(dòng)開(kāi)始出現(xiàn)，撞擊累積和能量累積在時(shí)序上出現(xiàn)突變拐點(diǎn)，呈指數(shù)上升趨勢(shì)。

2) 聲發(fā)射震級(jí)與能級(jí)之間存在的近似線性關(guān)系，峰值強(qiáng)度過(guò)后，高能級(jí)高震級(jí)事件主要集中在試樣中下部，與高速攝像記錄的表面開(kāi)裂集中區(qū)對(duì)應(yīng)性較好，巖石內(nèi)部高能級(jí)高震級(jí)事件的集中出現(xiàn)表征著巖石破裂強(qiáng)度增大和局部損傷劣化加劇。

3) 當(dāng)進(jìn)入屈服變形階段，其他破裂類(lèi)型開(kāi)始逐漸增多，但大于能級(jí)4的事件基本都是張拉破裂類(lèi)型；上述各特征現(xiàn)象均可以作為巖石破壞失穩(wěn)前兆信息。