干燥及饱和岩石循环加卸载过程中声发射特征试验研究

夏 冬,杨天鸿,王培涛,张鹏海,赵永川

(1.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁沈阳 110819;2.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110819)

干燥及饱和岩石循环加卸载过程中声发射特征试验研究

夏 冬1,2,杨天鸿1,2,王培涛1,2,张鹏海1,2,赵永川1,2

(1.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁沈阳 110819;2.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110819)

利用YAG-3000微机控制岩石刚性试验机和PCI-Ⅱ声发射监测系统,对中关铁矿深部闪长岩分别进行干燥、饱和2种条件下循环加卸载过程的声发射试验,以探讨这2种含水条件下岩石的力学特性、声发射特征、加卸载响应比的变化情况。结果表明:水对岩石的力学特性和声发射特征具有不同程度的影响。岩样从干燥状态到饱和状态,其抗压强度降低了6.96%;整个加卸载过程中,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的17.94%,且试件发生宏观破坏之前,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的4.6%;干燥岩样的加卸载响应比的最大值出现在峰值强度前的很短时间内,而饱和岩样的最大值出现在裂纹的非稳定扩展阶段。

循环加卸载;不同含水状态;声发射;加卸载响应比;破坏前兆

岩石声发射是岩石在受力过程中其内部原生裂纹和缺陷的扩展以及新的微破裂的孕育、萌生、演化、扩展和断裂过程所释放的弹性波。声发射作为一种研究岩石受载变形、损伤、破坏演化规律的有效技术,已广泛应用于实际岩体工程。国内外许多学者在煤和岩石受力破坏过程中的声发射特性进行了大量的研究工作,并且取得了很多有益成果[1-3]。Holcomb和Costin[4]利用声发射技术,探测脆性材料的损伤面。Mansurov[5]用声发射技术测量岩石破坏过程的信息,预测岩石的破坏类型。Li和Nordlund[6]用声发射测量由爆破引起的损伤。I.Tsuyoshi等[7-8]运用声发射技术对岩石直剪过程中的裂纹开裂情况进行了研究,结果表明声发射有较高的精度来检测岩石直剪过程中的裂纹发展情况。赵兴东等[9-11]对不同岩石的声发射活动特性进行了试验研究,并应用声发射定位技术,对声发射的定位机制进行了分析,为研究岩石破裂失稳机制奠定了基础。

岩土工程在施工及运营期间,经常会遇到地下水和循环载荷的共同作用,岩体在地下水和循环载荷作用下的力学性能是影响岩土工程长期稳定性的重要因素之一。关于地下水对岩石声发射特性的影响,前人已做了一些相关的试验研究[12-14],并取得一些有意义的研究成果。而关于在地下水和循环加卸载共同作用对岩石力学特性、变形特性及声发射特征影响方面的研究成果相对较少。笔者对取自中关铁矿深部闪长岩试件进行单轴循环加卸载力学试验及声发射试验,分析干燥及饱和岩样在循环加卸载作用下的强度、变形及声发射特征,基于加卸载响应比理论,深入探讨了循环加卸载作用下干燥与饱和岩石失稳破坏的前兆规律,为研究不同含水状态下岩石破裂失稳机理提供参考。

1 试验方法及内容

1.1 试样制备

试件均为取自河北钢铁集团矿业公司中关铁矿施工现场的灰绿色闪长岩。加工工艺为:首先在施工现场采用钻爆法获得不规则的立方体岩块,再在实验室用水钻法钻取岩芯,按国际岩石力学试验建议方法[15],加工成ϕ50 mm×100 mm的圆柱体标准试件,精度要求满足《水利水电工程岩石试验规程》(SL264—2001)[16]。试验前对加工好的试件采用英国Proceq公司生产的超声波混凝土测试仪(TICO)进行波速测试,测试后选取波速接近、外观完整、质地均一的试件分别进行烘干及饱和处理,以测试干燥及饱和试件在循环加卸载作用下的强度、变形及声发射特征。

1.2 试验设备及试验方案

试验设备由加载系统、声发射监测系统和数据采集系统组成。加载系统:采用杭州邦威机电控制工程有限公司生产的YAG-3000微机控制岩石刚性试验机;声发射监测系统:采用美国物理声学公司生产的PCI-Ⅱ声发射监测系统;数据采集系统:采用应力传感器、位移传感器和静态应变仪对岩石所加荷载和纵向变形进行量测。试验装置如图1所示[17]。

图1 岩石声发射试验系统示意Fig.1 Schematic diagram of AE and loading system

试验采用单轴循环加卸载方式,加卸载速率均为10 kN/min,试验过程中,保持加载系统、声发射监测系统和数据采集系统同步进行。单轴循环加卸载采用的加载方式为:首先加载至试件单轴抗压强度的20%,然后卸载至其单轴抗压强度的5%,此后,每次按10 kN的增量增加荷载直至试件破坏。本试验采用8个Nano30型传感器进行声发射信号采集,将传感器的工作频率设为125～750 kHz。试验过程中用橡胶带将传感器均匀地固定在试件的四周,传感器距试件的上下端面均为20 mm。为保证声发射信号能被传感器良好接收,在试件与传感器接触部位涂抹黄油进行耦合。为降低端部噪声对声发射试验结果的影响,在压力机压头和试件之间用涂有黄油的滤纸片隔开。试验中将声发射测试分析系统的门槛值设为45 dB,主放设为40 dB,采样频率设为1 MHz。利用上述加载方案,在常温条件下,对各岩样进行循环加卸载条件下的声发射试验。

2 试验结果及分析

2.1 强度及变形特征分析

岩样在单轴循环加卸载作用下的应力-应变曲线反映了岩样受力后的强度及变形性质。由试验结果,绘制出循环加卸载条件下干燥及饱和岩样典型的应力-应变关系曲线如图2所示。

图2 干燥、饱和岩样的应力-应变关系曲线Fig.2 Stress-strain curves of diorite under different moistures contents

由图2可见,水对岩样的强度产生了一定程度的影响,干燥岩样与饱和岩样的抗压强度分别为126.40和118.18 MPa,岩样从干燥到饱和状态,其抗压强度降低了6.96%。水除了对岩样的强度产生一定程度的影响外,其对岩样的变形特征也产生了重要的影响,对比干燥与饱和岩样的应力应变曲线可以发现,2种含水状态的岩样在加载初期均出现压密现象,相对于干燥岩样,饱和岩样在加载初期产生更为明显的塑性变形,这是因为加载初期,岩样内部原始天然裂隙逐渐闭合,且水分子进入岩样内部,削弱了岩样内部颗粒间的粒间联系,使得岩石内部的裂隙处于调整阶段,即便在较低的应力水平下,岩石试件在加载方向也产生较大的塑性变形。随循环次数及应力水平的增加,2种不同含水状态的岩样均进入稳定变形阶段,该阶段两种岩样加载曲线的斜率也逐次略有增加,表明加载应力下两种岩样的弹性均有所增强。两种岩样的加载与卸载路径不重合,每次加载与卸载过程都会形成一个塑性滞回环,随着循环次数及应力水平的增加,塑性滞回环向应变增大的方向移动,且应变中不可恢复变形量的增长速度逐渐减小,累积变形量逐渐增大,滞回环也越来越密集,峰值强度前,干燥岩样的轴向变形量约为饱和岩样的62.5%。在试件临近破坏时,干燥岩样的应力-应变曲线基本呈线性变化,其破坏形态为剪切脆性破坏,破坏前没有明显征兆且破坏时伴随明显的爆裂声和岩石碎块的飞出;饱和岩样的应力-应变曲线表现为向下弯曲,不属于脆性破坏,这可能与矿物晶格内的含水量变化有关。

2.2 声发射特征分析

岩石在循环加卸载过程中,同样伴随着原生裂隙的压密、新生裂隙的萌生、扩展和贯通,最终形成宏观裂隙,在加载及卸载过程中同时伴随声发射信号的产生,干燥及饱和岩样典型的应力-时间-能量累积关系曲线如图3所示。

图3 应力-时间-能量累积数关系曲线Fig.3 Stress-time-energy of diorite under different moistures contents

由图3可见,加载初期,干燥、饱和岩样几乎没有声发射信号产生。随循环次数及应力水平的逐级增加,干燥岩样的声发射能量累积数出现了2次比较明显的阶跃,而饱和岩样声发射能量累积数增长幅度较为稳定,产生这种差别的原因可能是干燥岩样内部局部闭合裂纹表面之间的错动及晶粒间的相对滑移产生声发射信号,对于饱和岩样,在这一过程中虽也发生上述现象,但由于水的软化及润滑作用使得岩样的声发射信号明显减弱。随循环次数的增加及应力水平的进一步提高,岩样进入破坏阶段,在该阶段,干燥、饱和岩样的声发射能量累积数均发生突变,声发射活动进入高峰期,与此同时2种不同含水状态岩样均可看到微破裂甚至崩裂的发生。在整个加卸载过程中,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的17.94%,且试件发生宏观破坏前,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的4.6%,产生这种现象的原因是水分子进入岩样内部,削弱了岩样内部颗粒间的粒间联系,使岩样在破裂时所需的能量减少。由此可见,水对岩样声发射特征参数具有显著的影响。

2.3 加卸载响应比特征分析

在地震学、损伤力学、非线性科学、断裂力学等学科的基础上,尹祥础等[18-19]提出了加卸载响应比理论。加卸载响应比理论是一种用于研究非线性系统失稳前兆和失稳预报的理论,加卸载响应比Y是一个能定量反映非线性系统趋近失稳程度的参数[20-22],可将其定义为

其中,X+和X-分别为加载与卸载的响应。响应量可按下式计算:

其中,ΔP和ΔR分别为载荷P和响应R对应的增量。当岩石类材料处于弹性阶段时,X+和X-的值比较接近,加卸载响应比值Y约为1;到了损伤破坏阶段,Y值也会相应的增加;当岩石类材料临近破坏时,Y值达到最大值。利用能量作为响应可将加卸载响应比Y的值定义为

其中,E为释放的能量,m=1时,Em为能量;N+为加载能量数目;N-为卸载能量数目。试验中记录的声发射能量反映了试件内部微裂纹产生或扩展时所释放的弹性能,通过对声发射能量的分析,可以研究岩石等脆性材料弹性能释放的演化规律。试验中应用能量作为响应,得到干燥、饱和岩样的加卸载响应比Y随时间的变化情况,如图4所示。

图4 加卸载响应比值Y随时间的变化曲线Fig.4 Value Y of LURR versus time

由图4可见,当应力水平较低时,干燥、饱和岩样的加卸载响应比均较小,也较稳定,说明岩样的损伤程度较小。当应力水平较高时,加卸载响应比急剧增大,表明岩样的损伤程度较大,系统趋于失稳。当应力水平达到岩样的极限载荷,且在岩样发生根本破坏之前,加卸载响应比又出现了不同程度的回落。干燥、饱和状态的岩样,其加卸载响应比在整个加卸载过程中的变化趋势又有所不同。

对于干燥岩样,在加载初期,其加卸载响应比略大于1,表明加载过程中产生的声发射能量略大于卸载过程中产生的声发射能量;当岩样受载进入弹性阶段后,岩样加卸载响应比呈下降趋势,表明该阶段加载过程中产生的声发射能量数小于卸载过程中产生的声发射能量数,说明该阶段岩样在加卸载过程中均有损伤,且卸载过程中产生的损伤逐步增加;当应力水平达到岩样的极限载荷时,加卸载响应比达最大值,然后急剧下降,随之破裂发生。对于饱和岩样,在加载初期,加卸载响应比小于1,表明加载过程中产生的声发射能量数小于卸载过程中产生的能量数,说明该阶段加载过程中产生的损伤小于卸载过程中产生的损伤;岩样进入弹性阶段后,其加卸载响应比在1附近波动,表明加载过程中产生的声发射能量数与卸载过程中产生的声发射能量数比较接近,说明加载过程中产生的损伤与卸载过程中产生的损伤基本相等;当岩样进入非稳定破裂发展阶段,加卸载响应比明显增大,表明加载过程中产生的声发射能量数大于卸载过程中产生的声发射能量数,说明该阶段加载过程中产生的损伤要大于卸载过程中产生的损伤;随着载荷的继续增大,岩样承载力达到其峰值,该阶段的加卸载响应比较前一阶段有所下降,最后岩样的加卸载响应比接近于1。

对比干燥、饱和岩样加卸载响应比随时间变化的曲线可以发现,干燥岩样的加卸载响应比的最大值出现在岩样的峰值强度前的很短时间内,而饱和岩样的加卸载响应比的最大值出现在裂纹的非稳定扩展阶段,且干燥岩样的加卸载响应比的最大值为饱和岩样的1.8倍。加卸载响应比的演化过程在一定程度上反映了岩样内部的损伤破坏程度或接近失稳的程度,其值急剧增大和回落可以作为岩石临近和发生破坏的标志,而加卸载响应值的急剧增大及回落又出现在岩石发生根本破坏之前,因此加卸载响应比的异常变化可以作为岩石即将失稳的判据。

3 结 论

(1)水对岩样的力学特性及变形特征具有一定程度的影响。与干燥岩样相比,饱和岩样的单轴抗压强度降低了6.96%;峰值强度前,干燥岩样的轴向变形量约为饱和岩样的62.5%;在试件临近破坏时,干燥岩样的应力-应变曲线基本呈线性变化,其破坏形态为剪切脆性破坏,破坏前没有明显征兆且破坏时伴随明显的爆裂声和岩石碎块的飞出;饱和岩样的应力-应变曲线表现为向下弯曲,不属于脆性破坏。

(2)水对岩样的声发射特征参数具有显著的影响,在整个加卸载过程中,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的17.94%,且试件发生宏观破坏前,饱和岩样的声发射能量累积数为干燥岩样的4.6%,产生这种现象的原因是水分子进入岩样内部,削弱了岩样内部颗粒间的粒间联系,使岩样在破裂时所需的能量减少。

(3)加卸载响应比急剧增大和回落可作为岩石临近和发生破坏的标志。干燥、饱和岩样的加卸载响应比在整个受力过程中的变化趋势有所不同,干燥岩样的加卸载响应比的最大值出现在岩样的峰值强度前的很短时间内,而饱和岩样的加卸载响应比的最大值出现在裂纹的非稳定扩展阶段。

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Experim ental study of acoustic em ission characteristics of dry and saturated rocks during cyclic loading and unloading process

XIA Dong1,2,YANG Tian-hong1,2,WANG Pei-tao1,2,ZHANG Peng-hai1,2,ZHAO Yong-chuan1,2

(1.Key Laboratory ofMinistry ofEducation on Safe Mining ofDeep Metal Mines,Northeastern University,Shenyang 110819,China.2.School ofResources& Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

By using YAG-3000 microcomputer controlled rock stiffness testing machine and PCI-II acoustic emission monitoring system,the cyclic loading experiments for dry and water-saturated diorites obtained in Zhongguan ironmine were carried out for analyzing the variation ofmechanical properties,acoustic emission properties and LURR.The results show that the water content has significant influence on rock strength as well as acoustic emission properties.The compressive strength of water-saturated samples is 6.96%lower than that of dry samples;and during the whole process,the accumulated AE events of thewater-saturated are about17.94%of the dry specimen,moreover before the peak value,the total AE events ofwater-saturated specimen are about4.6%of the dry specimen.Furthermore themax LURR of the dry specimen occurs just before the strength value,while themax LURR ofwater-saturated specimen occurs in the process of unsteady extending of the fracture.

cyclic loading;differentmoisture state;acoustic emission(AE);load/unload response ratio(LURR);failure precursor

TD315

A

0253-9993(2014)07-1243-05

夏 冬,杨天鸿,王培涛,等.干燥及饱和岩石循环加卸载过程中声发射特征试验研究[J].煤炭学报,2014,39(7):1243-1247.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1283

Xia Dong,Yang Tianhong,Wang Peitao,et al.Experimental study of acoustic emission characteristics of dry and saturated rocks during cyclic loading and unloading process[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1243-1247.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1283

2013-09-09 责任编辑:常 琛

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB227902);国家自然科学基金资助项目(51174045,51304036)

夏 冬(1981—),男,河北隆化人,博士研究生。Tel:024-83671626,E-mail:dianjiahan@163.com