灰岩单轴抗压损伤特性试验研究

董文专，卢阳，黄翔

灰岩单轴抗压损伤特性试验研究

董文专1，卢阳2，黄翔3

（1. 湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南 长沙 410007；2. 北海市不动产登记中心，广西北海 536000；3. 桂林理工大学，广西 桂林 541004）

为研究灰岩损伤特性，利用岩石力学试验机对灰岩试样开展单轴抗压试验，并利用声发射仪监测试验过程中试样的声发射事件数、纵波波速和纵波主频等参数的变化，分析这些参数在试样加载过程中的变化特性以及它们和损伤力学特性之间的关系。研究结果表明：（1）在整个加载过程中，纵波波速的变化不明显，声发射事件累计数量不断增大，纵波主频先增大后减小。（2）对于试样轴向应力－应变曲线，损伤起始点在应力峰值点前，损伤起始点应力为峰值应力的0.75；损伤起始点附近，声发射事件累计数量迅速增大，纵波主频迅速减小；在损伤起始点和加载曲线终点处，纵波主频分别衰减为初始主频的0.65和0.47。相比纵波波速，声发射事件累计数和纵波主频更适合作为表征岩石损伤变化的物理量。研究成果可为灰岩隧道工程的围岩力学特性研究及安全稳定性评价提供参考。

岩石力学；隧道；声发射事件累计数量；峰值；主频

1 引言

由于隧道开挖后围岩的稳定性对安全施工有重要影响，因此，隧道围岩力学性质研究一直是隧道工程领域的研究热点[1]。岩石属于非均质的初始损伤脆性材料，其变形与破坏过程伴随着局部裂纹的萌生和扩展直至破坏整体性，属于损伤累积过程[2,3]。岩石损伤是在内部和表面都同时发生的现象，因此，损伤过程十分复杂。正确描述岩石损伤演化现象是揭示岩石变形与破坏机理的前提。目前研究岩石损伤特性的方法主要包括扫描电镜分析法、核磁共振分析法、超声波探测法、声发射试验法等[4,5]。扫描电镜分析法和核磁共振分析法能通过数字图像技术精准获取检测对象的损伤分布情况，但所需仪器设备造价昂贵，且通常用于测定最终的损伤情况而不是损伤过程。超声波探测法主要依靠声波波速变化判定岩石损伤情况，判据单一，而声发射试验法不仅能分析岩石损伤过程中声波波速变化，还能分析声发射事件数的变化。现有研究表明，岩石损伤过程伴随着声发射事件的发生，声发射试验是研究岩石损伤过程力学特性的有效方法[6,7]。声发射试验通过监测岩石变形与破坏过程中裂纹张开产生的弹性振动或扰动判断岩石的损伤变化[9-12]。常见的声发射试验监测物理量包括声发射事件累计数量、振动主频、纵波波速等[13-16]。声发射监测试验通常配合岩石单轴抗压试验研究岩石的损伤力学特性[17]。在单轴抗压加载过程中，利用声发射装置监测试样的声发射事件累计数量、振动主频、纵波波速等物理量的变化，并结合应力与应变关系曲线分析试样的损伤变化特性。例如，杨增福等[7]利用声发射装置研究单轴加载条件下煤岩的破坏特征。杨东辉等[15]利用单轴压缩声发射试验研究砂岩脆性破裂失稳临界应力特征。张钟毓等[18,19]利用声发射试验和单轴抗压试验分析声发射事件累计数量和小浪底细砂岩破坏特征之间的关系。王创业等[20]利用声发射试验研究了灰岩单轴加载过程的频谱特性。宋义敏等[21]利用声发射试验研究了红砂岩单轴抗压变形条件下的声发射主频特征。

我国灰岩分布广泛，灰岩隧道开挖工程项目十分常见。研究灰岩损伤力学特性对灰岩隧道开挖安全稳定性评价等工程问题的解决有重要的意义。为此，本文以某灰岩隧道工程为研究背景，对灰岩开展单轴抗压试验，并利用声发射试验监测加载过程中声发射事件累计数量、纵波波速、纵波主频等物理量的变化，分析这些物

理量变化和损伤力学性质之间的关系，以揭示加载过程灰岩的损伤特性，研究成果可为实际工程的围岩力学性质研究、隧道围岩安全监测和稳定性分析等提供参考。

2 试验方案

2.1 试样

试样取自某灰岩隧道开挖工程项目，为灰黑色致密灰岩，未风化，密度为2.654g/cm3。取样加工成标准试样，试样为圆柱体，其直径为50mm，高度为100mm。

2.2 试验设备

采用TAW-2000岩石三轴试验机开展单轴抗压试验。TAW-2000为刚性试验机，采用全数字闭环控制。试验机的最大轴力为2000kN，最大围压为100MPa，加载控制模式包括两种：力控制加载和应变控制加载。利用应变控制加载模式可获取岩石加载全过程的应力与应变关系曲线。试验机配备声发射与接收装置，包括多通道声发射检测仪和声发射传感器。利用该装置可以监测加载过程中声发射事件累计数量、纵波主频和纵波波速等物理量的变化。单轴抗压加载条件下试样的声发射与接收示意图（图1）。

图1 试样声发射与接收示意图

2.3 试验加载

对试样进行饱和处理。采用应变控制模式对试样进行单轴压缩加载，加载应变率为2×10-5s-1。通过单轴抗压试验获得加载全过程的轴向应力和轴向应变关系曲线，并利用声发射装置监测加载过程声发射事件累计数量、纵波主频和纵波波速等物理量的变化。

3 试验结果及分析

3.1 加载过程中声发射事件累计数量的变化规律

加载过程声发射事件累计数量的变化见图2。图2中的曲线为轴向应力与应变关系曲线。从图2可以看出，随着轴向应变增大，声发射事件累计数量不断增大。在段，随着应变增大，声发射事件累计数量缓慢增大，应力则快速增大。这一阶段岩石内部空隙被压密，局部（应力集中部位）会因少量微裂纹萌生而产生少量的声发射事件，因此声发射事件增长速率较慢，此时，岩石损伤特征不明显，承载性能未劣化，应力会随应变增大而快速增大。当应力越过点后，从点至点，声发射事件累计数量由101迅速增大到523。在这一阶段，岩石内部空间萌生大量的微裂纹，微裂纹快速汇聚成核形成宏观裂纹，宏观裂纹快速扩展。点为宏观损伤起始点，损伤起始点为宏观裂纹萌生、扩展的起始点，在该点附近裂纹增长数量突然增大，因此，声发射累积数量也突然增大。由于贯通裂纹尚未形成，此时岩石试样的完整性尚未完全被破坏，试样仍具备抵抗力，表现为应力仍随应变增长而增长，但由于试样完整性遭到破坏，段应力的增长程度不如段。

图2 加载过程声发射事件累计数量的变化

从图2还可以看出，损伤起始点在应力峰值点之前，损伤起始点应力为69.5MPa，为峰值应力92.6MPa的0.75倍。这表明，在达到抗压极限前，岩石已经产生损伤。由于岩石是脆性材料，当内部应力超过峰值应力后就迅速被破坏，因此，从安全角度出发，隧道围岩应力监测通常不以峰值应力为安全预警值，而以损伤起始点的应力值为预警值。随着试样变形进一步发展，越过峰值后应力开始不断下降，应力与应变关系曲线为应变软化曲线，如图中的段，此时试样内形成了对试样完整性有决定性影响的宏观裂纹，试样主要沿这些宏观裂纹面滑移。这一阶段裂纹数量增长变缓，表现为声发射事件累计数量虽然继续不断增长但增长速率逐渐变缓。伴随着滑移破坏的发展，试样的应变能快速释放，由于应变仍在增长，因此，应力需要不断下跌以维持应变能释放。

在点，声发射事件累计数量达到了745。可见，从加载初始至加载终止，声发射事件累计数量显著增大，它与岩石损伤力学性质变化密切相关，可以用作反映加载过程损伤变化的物理量。实际隧道工程围岩安全监测可以将声发射事件累计数量作为监测对象。

3.2 加载过程中纵波波速的变化规律

加载过程中纵波波速的变化见图3。从图3可以看出，随着轴向应变增大，试样空隙被逐渐压密，例如段，纵波波速逐渐增大，随后试样局部逐渐产生裂隙，试样完整性被逐渐破坏，例如段，纵波波速曲线大致呈下降趋势，波速范围为4602～4750m/s，最大变化幅度为148 m/s，为加载初始波速4602 m/s的3%，变化幅度比较小，即加载过程中岩石纵波波速变化并不明显。这是因为纵波波速对岩石空隙率十分敏感，随空隙率增大而增大，而加载过程中空隙率变化不大，因此加载过程中纵波波速变化并不显著。分析结果表明，相对于声发射事件，纵波波速不适合用于反映加载过程岩石损伤变化的物理量。

图3 加载过程纵波波速的变化

3.3 加载过程中纵波主频的变化规律

加载过程中纵波主频的变化见图4。根据图4分析，随着轴向应变增大，纵波主频先增大，例如岩石逐渐被压密的段，主频由110.0 kHz逐渐增大到122.0 kHz。随后，试样完整性被逐渐破坏，纵波主频快速减小，例如段，当应力越过点后，从点至点，纵波主频由122.0 kHz迅速减小到71.5kHz。由图4也可判定点是损伤起始点。损伤起始点附近裂纹数量迅速增大，试样的完整性迅速被破坏，纵波主频迅速降低。损伤起始点纵波主频是初始主频的0.65倍。这是因为试样内部的空洞等缺陷对纵波的传播有显著影响，随着试样完整性增强，纵波在试样中传播受到的干扰越少，消耗的能量也越少，而纵波传播携带的振动能量与主频成正比，因此，在岩石逐渐被压密的段，纵波主频逐渐增大。在完整性被破坏的段，纵波主频逐渐减小。

随着应力超过峰值点，试样的整体性被进一步破坏，此时试样被宏观裂纹切割，裂纹数量增长变缓，纵波主频减小，速率也降低。表现为虽然纵波主频随轴向应变增大而增大但增大逐渐趋于稳定。在加载终止点处，纵波主频为52.0 kHz，约为初始主频110.0 kHz的0.47倍。相比纵波波速，损伤过程中纵波主频显著降低，因此，纵波主频可用作反映加载过程损伤变化的物理量，在隧道安全监测中，纵波主频也可作为监测对象。

图4 加载过程纵波主频的变化

4 结论

为研究灰岩力学损伤特性，本文以某灰岩隧道工程为研究背景，利用声发射仪监测灰岩试样单轴抗压加载过程中声发射事件累计数量、纵波主频和纵波波速等参数的变化，分析了试样损伤发展和这些参数变化之间的关系，得到以下主要结论：

（1）声发射事件累计数量随试验变形增大而增大。损伤起始点附近，声发射事件累计数量迅速增大。对于试样轴向应力–应变曲线，损伤起始点在应力峰值点前，损伤起始点应力为峰值应力的0.75。隧道围岩应力监测应以损伤起始点的应力值为预警值。

（2）在损伤起始点前，纵波主频随岩石变形增大而增大，在损伤起始点后纵波主频随岩石变形增大而迅速减小。在损伤起始点起点和加载曲线终点处，纵波主频分别衰减为初始主频的0.65和0.47。

（3）灰岩试样损伤过程中纵波波速的变化不明显，纵波波速不适于描述灰岩的损伤变化。声发射事件累计数量和纵波波速的主频变化和灰岩损伤发展之间具有密切相关性，可用于表征灰岩损伤发展的物理量。实际隧道工程可以根据声发射事件累计数量和纵波波速主频的变化对围岩安全稳定性进行评价。

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Test on Damage Characteristics of Limestone under Uniaxial Compression

DONG Wen-zhuan1, LU Yang2, HUANG Xiang3

(1. Agricultural and Forestry Industry Survey, Design and Research Institute of Hunan Province, Changsha Hunan 410007; 2. Beihai Real Estate Registration Center, Beihai Guangxi 536000; 3. Guilin University of Technology, Guilin Huangxi 541004, China)

In order to study the damage characteristics of limestone, uniaxial compression tests of limestone samples are carried out by rock mechanics testing machine. Parameters of the samples such as the cumulative number of AE events, the longitudinal wave velocity and the dominant frequency of longitudinal wave are monitored by acoustic emission instrument during the compression tests. The variation characteristics of these parameters and the relations between these parameters and the damage mechanical properties are analyzed. The test results show that: (1) During the whole compression process, the change of the longitudinal wave velocity is not obvious. While the cumulative number of AE events increases, the dominant frequency of longitudinal wave first increases and then decreases. (2)For the axial stress-strain curve of the specimen, the stress at the initial point of damage is 0.75 of the peak stress before the peak stress point; The cumulative number of AE events increases rapidly near the damage starting point, and the dominant frequency of the longitudinal wave decreases rapidly; At the damage starting point and the end of the loading curve, the P-wave dominant frequency attenuates to 0.65 and 0.47 of the initial dominant frequency respectively. Compared with P-wave velocity, the cumulative number of AE events and P-wave dominant frequency are more suitable to be used as physical quantities to characterize the change of rock damage. The research results can provide reference for the study of surrounding rock mechanical properties and safety and stability evaluation of limestone tunnel engineering.

rock mechanics; tunnel; the cumulative number of AE events; peak; dominant frequency

2022-03-01

广西中青年教师基础能力提升项目（2018KY0239）

董文专(1987—)，男，湖南长沙人，工程师，研究方向：道路与桥梁隧道工程。

TU411

A

2095-9249（2022）03-0016-04

〔责任编校：王中兰〕