單軸壓縮條件下層狀軟巖破壞過程聲發(fā)射特征研究

袁兆廷

(中鐵二十四局集團南昌鐵路工程有限公司 江西南昌 330002)

1 引言

巖石層狀特征是由于地質作用導致巖體呈現(xiàn)非均一性排布，部分巖體層狀特性呈現(xiàn)傾角分布，因此力學性質也會產(chǎn)生巨大差異。對于層狀巖石的研究，McLamore[1]開展了巖石在不同層狀與圍壓下的三軸壓縮試驗，提出一種用來描述層狀巖石強度性質的新準則；JAEGER[2]在研究中提出單弱面理論并發(fā)現(xiàn)帶有層狀傾角巖石的單軸抗壓強度總小于完整巖石。隨著后續(xù)研究的深入，TIEN等[3-4]基于前人的研究準則預制了不同傾角的層理巖石，分析傾角對巖石強度的影響，并提出相應的破壞準則。國內(nèi)學者張東明等[5]基于X射線衍射技術對層理巖石進行斷層掃描測試，分析了在單軸壓縮下巖石能量耗散演化規(guī)律；陳子全等[6]通過常規(guī)單、三軸壓縮試驗，研究層理方向及含水率對千枚巖儲能和釋能機制的影響；王曉雷等[7]通過片麻巖進行不同層理性質研究，探究不同傾角對巖石破壞的影響；曾立兵[8]利用MTS landmark動態(tài)電液伺服測試系統(tǒng)進行石灰?guī)r單軸循環(huán)荷載作用下疲勞試驗。

聲發(fā)射是指材料中局部受到里的作用后快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[9]。聲發(fā)射技術可為巖石破壞損傷過程中提供試驗與數(shù)值分析提供不了的重要信息[10]。王林均[11]等通過對砂巖和花崗巖進行單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)巖石顆粒膠結強度等微觀性能對聲發(fā)射能量和計數(shù)有很大影響；孟令超[12]等開展單軸壓縮及聲發(fā)射測試試驗，獲取了兩種巖石的強度及變形特性，并對其脆性大小進行定量評價。因此，利用聲發(fā)射技術可有效揭示層狀層理對千枚巖力學性質的影響。但目前關于不同層狀千枚巖破壞過程的聲發(fā)射特征研究鮮有報道。

為探究層狀結構對千枚巖破壞過程中力學性質的影響，本文制備了水平、45°、豎直三種典型層狀千枚巖試樣，開展單軸壓縮條件下不同層狀千枚巖破壞過程的聲發(fā)射試驗，分析不同層狀千枚巖破壞過程中破壞特征和聲發(fā)射數(shù)量及能量演化規(guī)律，研究結果可為層狀千枚巖巖體破壞機制提供參考依據(jù)。

2 不同層狀千枚巖聲發(fā)射試驗

2.1 巖樣制備

為探究層狀千枚巖破壞過程的聲發(fā)射特征，制備三種典型層狀千枚巖，如圖1所示。巖樣制備過程嚴格遵照國際巖石力學規(guī)范要求:高100 mm、直徑50 mm的標準圓柱體。

圖1 三種層狀結構千枚巖

2.2 試驗過程

試驗采用長春市展拓試驗儀器有限公司生產(chǎn)的ZTRE-210微機控制巖石三軸測試系統(tǒng)和美國物理聲學公司(PAC)所生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射監(jiān)測設備，聲發(fā)射傳感器為NANO-30型(信號頻率范圍為100～400 kHz)。

首先在聲發(fā)射系統(tǒng)中建立一個與試樣同等大小的模型，然后根據(jù)模型將聲發(fā)射探頭用膠帶固定在試樣對應點上，再通過電腦端調整試樣參數(shù)，最后對試樣進行加載。先對試樣進行預壓加載(2 kN)，然后通過荷載控制以500 N/S的加載速率加載試樣至彈性變形階段時，再以變形方式來控制加載(加載速率為0.02 mm/min)直至試樣破壞。試驗過程中，為保證結果的可靠性，每種層狀千枚巖至少進行三次加載試驗。試樣模型及加載裝置如圖2所示。

圖2 試樣模型及加載裝置

3 試驗結果分析

3.1 不同層狀千枚巖強度及變形特征分析

不同層狀千枚巖應力-應變曲線如圖3所示。黑色、紅色和藍色線分別為軸向應變、環(huán)向應變和體積應變與應力的關系。應變大于零和小于零分別代表應變收縮和膨脹。

圖3 不同層狀結構千枚巖應力-應變曲線

在加載初期，水平層狀千枚巖表現(xiàn)出明顯線彈性特征，彈模約為1.31×104MPa。在屈服階段，巖石開始逐漸破壞，但仍具有一定的承載力，其抗壓強度到達低點后受持續(xù)施加的荷載作用反而呈現(xiàn)上升態(tài)勢。在持續(xù)加載后，巖石被壓密后裂紋逐漸擴展后失穩(wěn)，此時抗壓強度小于完整巖石的峰值強度。

45°層狀千枚巖在豎向變形時與一般巖石相一致，彈性模量約為1.61×104MPa。體積應變及環(huán)向應變呈現(xiàn)先收縮后膨脹的特性，剪切裂紋從試樣中間薄弱面開始擴展。試樣在加載過程中由于剪切力的原因，產(chǎn)生了薄弱部位內(nèi)部空隙的收縮現(xiàn)象。而在部分學者看來[13]，巖石受到剪切作用時，斜向45°層狀試樣受影響最大。

與水平層狀試樣類同，在初始加載階段豎直層狀試樣呈現(xiàn)線彈性特征，彈模約為5.56x104MPa。塑性階段，試樣表面裂紋慢慢出現(xiàn)，環(huán)向應變逐漸增大，體積應變表現(xiàn)為先收縮后膨脹特征。由于該類巖石豎向剛度較小，受壓后內(nèi)部孔隙不斷被壓密導致體積收縮。當巖石內(nèi)部出去壓密狀態(tài)時，軸向應變發(fā)展受到抑制，這也就導致了環(huán)向應變的突增。

3.2 不同層狀千枚巖破壞過程聲發(fā)射特征分析

3.2.1 聲發(fā)射RA值特征

從圖4a可以看出，RA值在第一次破壞后更為活躍，可能是因為在加載初期，巖石內(nèi)部結構較完整，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。隨著荷載的持續(xù)增加，巖石內(nèi)部裂紋開始發(fā)育。這也導致了聲發(fā)射RA值的逐漸活躍。由于經(jīng)歷過一次破壞，且荷載仍在增加，因此內(nèi)部裂紋的擴展和發(fā)育達到頂峰，此時RA值的活躍程度也明顯提高不少直至最終破壞。

從圖4b曲線中可以看出，45°層狀千枚巖聲發(fā)射RA值在試樣加載全過程均保持了較低水平的波動。相較于水平層狀千枚巖，45°層狀巖石 RA值在前期較為活躍，可能是由于巖石層理構造所導致。

圖4 不同層狀千枚巖RA值及應力與時間關系曲線

3.2.2 聲發(fā)射振鈴計數(shù)特征

聲發(fā)射振鈴計數(shù)是指越過門檻信號的振蕩次數(shù)，它能反映巖石內(nèi)部裂紋孕育發(fā)展情況的時序變化。從圖5a可發(fā)現(xiàn)，該試樣與大部分學者探究過的硬巖破壞形式不同，它并沒有呈現(xiàn)分階段進行特征。RA值的出現(xiàn)比較平均，在試樣加載全過程均有產(chǎn)生。

從圖5b中可看出，在加載時間171 s，試樣抗壓強度達到峰值后逐漸減小，此時試樣仍有一定的承載能力，表現(xiàn)出明顯的塑性特征?？烧J為聲發(fā)射振鈴計數(shù)的突增對于試樣的塑性階段預警有著不錯的效果。45°巖石瞬時振鈴計數(shù)的最大值在峰值強度之后，因此推測該類巖石最大裂紋的發(fā)生可能出現(xiàn)在抗壓極值之后。

圖5 不同層狀千枚巖振鈴計數(shù)-應力-時間關系曲線

豎直層狀千枚巖在初始時刻較為平靜，聲發(fā)射振鈴計數(shù)幾乎不產(chǎn)生。在臨近破壞階段時，振鈴計數(shù)逐漸變得活躍，在破壞時AE信號再次恢復平靜。在破壞后的塑性區(qū)振鈴計數(shù)再次活躍直至峰值?？梢钥闯雎暟l(fā)射信號的活躍區(qū)為該類巖石的塑性階段?？烧J為其具有延時破壞的特征。

3.2.3 聲發(fā)射能量特征

聲發(fā)射能量特征可以用來反映應巖石在受力過程中內(nèi)部能量釋放的強度。由圖6可知，水平層狀巖石累計能量在三種巖石中最高，且發(fā)射能量在巖樣受壓過程中均勻釋放。45°層狀試樣在加載全過程的能量釋放和振鈴計數(shù)增長規(guī)律保持一致，可分為線性增長、緩慢增長和快速增長三個階段。豎直層狀巖石在初始彈性階段保持平靜狀態(tài)，幾乎無能量釋放。隨著荷載持續(xù)施加，該巖樣能量開始釋放至極值。

圖6 聲發(fā)射累計能量、能量及應力-時間關系曲線

4 結論

(1)層狀傾角不同對于千枚巖的抗壓強度及變形特性影響較大。45°層狀千枚巖在加載過程中其軸向變形、環(huán)向變形和體積應變分別呈現(xiàn)收縮、先收縮后擴張和先收縮后膨脹的特征。而水平層狀和豎直層狀試樣表現(xiàn)為收縮、擴張和先收縮后膨脹的特征。

(2)三種不同層狀巖石的能量釋放均有所不同，該現(xiàn)象的出現(xiàn)均與千枚巖層狀結構相關。且三種千枚巖在破壞前期都出現(xiàn)了不同程度聲發(fā)射累計能量的高位釋放現(xiàn)象。

(3)水平層狀和45°層狀千枚巖在加載全過程振鈴計數(shù)持續(xù)釋放，在臨近破壞階段時才突增。對于豎直層狀巖石其振鈴計數(shù)的產(chǎn)生主要發(fā)生在塑性及破壞階段，由于存在塑性區(qū)間作為緩沖區(qū)，因此聲發(fā)射振鈴計數(shù)對豎直層狀軟巖的破壞有不錯的預警效果。