预制裂隙对砂岩蠕变力学特性及声发射前兆特征影响试验研究

2023-05-24王冠强于怀昌席伟程广利牛睿

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2023年2期

王冠强, 于怀昌,2, 席伟, 程广利, 牛睿

(1.华北水利水电大学,河南郑州 450046; 2.河南省岩土力学与结构工程重点实验室,河南郑州450046;3.中铁资源集团勘察设计有限公司,河北廊坊 065099; 4.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京 100020)

岩石是一种复杂的地质介质,含有许多缺陷(如节理、裂隙、软弱面和断层),原有的缺陷对岩石的强度和变形能力有很大影响。此外,岩体的破坏往往是沿着原生缺陷发生,学者针对不同的缺陷组合做了大量的单轴压缩试验研究。然而,随着我国一些大型岩体工程的实施,越来越多的工程实践表明,岩体从开始变形到最终失稳破坏是一个与时间有关的复杂的非线性累进过程,即岩体发生蠕变破坏,如锦屏Ⅱ级水电站大理岩、小湾水电站片麻岩、三峡水电站花岗岩等在实际工程中均表现出了较明显的蠕变变形与破坏特征。因此,研究裂隙对岩体蠕变特征的影响是非常重要的基础性研究工作,对于评价岩体工程的长期稳定性和安全性来说具有重要的理论意义和工程实用价值。

国内外学者在对含有不同裂隙长度、裂隙间距、裂隙倾角的裂隙岩体研究中已经取得了一些重要的成果。目前,国内外学者对预制裂隙状态下的类岩石材料做了一系列试验,探究预制裂隙对岩体力学性能的影响。张平等[1-2]对含预制裂隙的类砂岩模型试样进行单轴加载试验,研究了试验条件下预制裂隙试样的裂隙起裂、扩展、贯通机制,进而对含裂隙试样的应变速率效应作出了进一步解释。蒲成志等[3]对多裂隙类岩石材料进行单轴压缩试验,分析了裂隙分布密度、裂隙角度对岩石断裂破坏强度的影响规律。李平等[4]对双裂隙类砂岩试样进行单轴压缩试验,分析了不同岩桥倾角下裂隙岩石的断裂破坏特征和强度损失规律。易婷等[5]对含不同裂隙倾角和数目的类岩石材料进行单轴压缩试验,分析了裂隙倾角和裂隙数目对岩石强度和变形特性的影响规律。与此同时,研究人员对真实岩石进行了一系列室内试验,探究预制裂隙状态下岩石的力学变化特征。杨圣奇等[6]对预制裂隙大理岩进行单轴压缩试验,分析了裂隙参数几何分布对岩样变形、强度及破坏特性的影响规律。黄达等[7]对含预制裂隙大理岩进行单轴压缩试验,分析了裂隙对大理岩力学变形破坏特征的影响规律。宋彦琦等[8]对含预制裂纹大理岩进行单、双轴加载和侧向卸载试验,研究了加载方式对预制裂纹扩展贯通规律的影响。研究人员也结合声发射技术,进一步研究了裂隙岩体的力学、声发射特征。WANG G L等[9]对砂岩完整试样和含有预制裂隙的试样进行单轴压缩声发射试验,分析了预制裂隙对岩石力学特性和声发射特征的影响。张茹等[10]对花岗岩进行单轴多级加载声发射试验,分析了花岗岩声发射事件数趋于稳定或者增幅平缓时,事件率和能率明显降低,认为岩石破坏发生前多出现声发射的突然骤降或相对平静期现象。吴永胜等[11]对两组不同岩石进行单轴压缩声发射试验,分析了岩石受压破坏过程中岩石体积变形与岩石声发射活动规律,得出岩石破坏过程中岩石的声发射率和能率不完全一致,声发射能率的变化规律较声发射率表现得更加敏感。

然而,工程中大多数岩石的破坏是由于岩石受到长时间的荷载作用导致的。当岩石承受的力小于其自身所能抵抗的破坏力时,岩石产生蠕变变形;当岩石承受的力大于其自身所能抵抗的破坏力时,岩石发生失稳破坏。吕培苓等[12]对两种完整岩石进行单轴压缩蠕变声发射试验,分析了蠕变3个阶段的声发射活动特征,得出岩石在不同蠕变阶段声发射率和m值的变化规律。徐子杰等[13]对大理岩进行了蠕变加载试验,分析了蠕变加载时的不同应力水平对大理岩试样内部损伤的影响,得出岩石在破坏时突然产生大的声发射数和能量释放率。龚囱等[14]对红砂岩进行了蠕变声发射定位试验,分析了不同蠕变应力条件下岩石的力学特性变化规律,得出了蠕变应力与损伤应力的关系对声发射震源时空演化的影响。姜德义等[15]对砂岩进行长期和阶梯加载蠕变声发射试验,分析了砂岩变形与声发射特征的关系,得出声发射信号的能量概率密度满足幂函数分布规律。上述研究成果丰富了完整岩石蠕变声发射领域的研究,但对含预制裂隙的岩石蠕变声发射研究还较少,通常在岩石长期蠕变的过程中,裂隙岩体的蠕变力学性质往往是影响工程长期稳定的关键因素。

鉴于此,本文以小浪底库区大面积分布的三叠系砂岩为例,在相同试验条件下,分别对无预制裂隙砂岩试样以及预制裂隙砂岩试样进行室内单轴压缩蠕变声发射试验。基于试验结果,分析两种试样应变、长期强度、声发射事件数以及b值的变化特征,对比分析b值与轴向应变、累计振铃计数在预测岩石破坏方面的差异,研究成果可为工程实践提供科学参考依据。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

对运抵实验室的小浪底库区三叠系砂岩岩块进行切割,制成长方体试样,尺寸为70 mm×70 mm×140 mm(长×宽×高),端面不平整度偏差控制在±0.05 mm范围,端面对轴线垂直度偏差控制在±0.25°范围。

在切割好的长方体试样上,制备含两条裂隙的砂岩试样,预制裂隙穿透试样,制备好的试样如图1所示。预制裂隙几何特征如图2所示,图中裂隙长度2a=20.0 mm,裂隙间距2b=25.0 mm,裂隙倾角α=45°,岩桥倾角β=105°。

图1 制备好的试样

图2 裂隙几何特征

1.2 试验设备

试验采用RLJW-2000岩石流变伺服仪和PCI-Ⅱ声发射测试仪。声发射仪前置放大器增益设定为40 dB,门槛值45 dB。试验中岩石变形测试系统与声发射传感器探头布置如图3所示。试验过程中,保持应力加载、应变量测以及声发射信号采集同步。

图3 变形测试系统与声发射传感器探头布置

1.3 试验方案

对砂岩试样进行常规物理力学试验,测得无预制裂隙砂岩试样平均质量为1.82 kg,密度为2.64 g/cm3,单轴抗压强度为170.5 MPa,弹性模量为31.8 GPa,试验采用分级加载方式,应力加载速率为0.2 kN/s,恒载时间为2 h。

试验中,轴向应力水平差值为15 MPa,以便对比相同应力水平下两种试样的蠕变力学特性。试样临近破坏前,为避免试样在加载过程中发生破坏,根据试样的声发射特征,适当减小试样的轴向应力水平差值。同时,为了减少试验结果的离散性,对预制裂隙试样进行了2组平行试验,对无预制裂隙试样进行了2组平行对比试验。平行试验结果显示,两组试样变化特征相近。为更清晰地说明试验规律,从每组试验中选择一个代表性的试样试验结果进行分析,如图4所示。

图4 砂岩试样分级加载蠕变曲线

从图4(a)可以看出,对无预制裂隙试样进行了9级加载,在160 MPa应力水平作用下试样发生破坏。从图4(b)可以看出,对预制裂隙试样进行了9级加载,在100 MPa应力水平作用下试样发生破坏。与无预制裂隙试样破坏强度相比,预制裂隙试样破坏强度显著降低,降低了37.5%。

依据图4中分级加载蠕变曲线,采用“陈氏加载法”[16]将其转化为分别加载蠕变曲线,如图5所示。

图5 砂岩试样分别加载蠕变曲线

对比图5(a)、图5(b)可知:各级应力水平下,无预制裂隙试样的轴向应变曲线随时间连续变化,没有出现突增现象;而在90 MPa应力水平下,预制裂隙试样的轴向应变曲线出现台阶状形态,表现为应变的瞬时增加,这是由于预制裂隙端部微裂隙的萌生、扩展、搭接、贯通,产生局部大尺度破裂导致的试样应变曲线出现“突增”现象。

2 砂岩的蠕变力学特性

2.1 应变特征

各级应力水平下,无预制裂隙试样和预制裂隙试样的轴向应变均可分为瞬时应变与蠕应变两部分,即每级应力水平施加的瞬间,试样产生瞬时变形,之后在恒定应力作用下试样的变形随时间增大而增大[17-19]。在前5级相同应力水平下,两种试样的瞬时应变、蠕应变以及总应变见表1。

表1 前五级相同应力水平下两种试样的瞬时应变、蠕应变以及总应变

从表1中可以看出:两种试样的瞬时应变、蠕应变、总应变均随应力水平的增加而增大,即随应力水平的增加,试样瞬时应变、蠕应变以及总应变均逐渐增大;相同应力水平下,与无预制裂隙试样相比,预制裂隙试样的瞬时应变、蠕应变以及总应变均大于无预制裂隙试样的相应值,表明预制裂隙的存在降低了岩石的完整性和稳定性,从而使试样更易产生变形。

前5级相同应力水平下,预制裂隙试样的瞬时应变分别是无预制裂隙试样相应瞬时应变的1.35、1.50、1.51、1.50、1.52倍;预制裂隙试样的蠕应变分别是无预制裂隙试样相应蠕应变的1.00、12.00、3.00、9.00、6.00倍;预制裂隙试样的总应变分别是无预制裂隙试样相应总应变的1.35、1.56、1.52、1.53、1.55倍。因此,预制裂隙对试样的蠕应变影响最大,总应变其次,而对试样的瞬时应变影响最小,在工程中要高度重视裂隙所导致的岩石蠕应变增大问题。

2.2 长期强度

岩石的长期强度是评价工程长期稳定和安全的重要参数,越来越多的人认识到在重大工程建设中长期强度对于工程安全的重要性。迄今为止,已有较多研究人员对岩石长期强度展开了研究,但大多是针对岩石含水率情况进行的讨论。得到的结论是:随含水率的增加,岩石长期强度显著降低[20-22]。本文研究了预制裂隙引起的岩石长期强度降低问题,得出的结论是:预制裂隙大幅降低了岩石的长期强度。

等时应力-应变曲线由近似线性段和非线性段组成,陈宗基[23]称线性段到非线性段的转折点为“第三屈服点”,其应力值为“第三屈服强度”。该转折点标志着岩石由黏弹性阶段向黏塑性阶段转化,得到的拐点值即为长期强度值[24-26]。无预制裂隙试样和预制裂隙试样的等时应力-应变曲线,如图6所示。两种试样的破坏强度及长期强度见表2。

图6 试样的等时应力-应变曲线图

表2 试样的破坏强度及长期强度

由表2可以看出:预制裂隙试样的破坏强度、长期强度均低于无预制裂隙试样的相应值,预制裂隙试样的破坏强度和长期强度分别是无预制裂隙试样的62.5%、79.5%。分析认为,预制裂隙岩样中的预制裂隙影响了试样的完整性和稳定性,从而大幅降低了岩样的破坏强度、长期强度。因此,在工程中应考虑由于裂隙影响而导致的岩石强度降低问题。

从理论上来说,尽管本节得出的试样长期强度值为砂岩试样的近似长期强度值,但基于试验结果得到的预制裂隙对岩石长期强度的影响规律是正确的。

3 砂岩的声发射特征

3.1 声发射事件数特征

试样的声发射事件数与累计声发射事件数,如图7所示。

图7 试样的声发射事件数与累计声发射事件数

由图7(a)可以看出:在单级应力水平下,无预制裂隙试样的声发射事件数较少,曲线呈下降-上升-下降趋势;与无预制裂隙试样相比,预制裂隙试样单级声发射事件数均高于无预制裂隙试样的相应值,表明预制裂隙的存在对单级应力水平下试样声发射事件数影响显著;两条曲线在第1、2级平缓,在第3、4级应力水平下,无预制裂隙试样曲线依旧平缓,而预制裂隙试样曲线发生陡然上升;在第3级应力水平下,预制裂隙试样事件数从304个急剧增加到813个,增长了1.6倍,说明其内部裂纹快速萌生、扩展、搭接、贯通,而该级应力下无预制裂隙试样声发射事件数变化较小;在第4级应力水平下,预制裂隙试样声发射事件数从813个增长到1 990个,增长了1.4倍,而无预制裂隙试样声发射事件数却从50个降低到45个,无预制裂隙试样的声发射事件数仅是其第1级应力水平下事件数的0.26倍,预制裂隙试样的声发射事件数是其第1级应力水平下声发射事件数的4.50倍。预制裂隙的存在导致试样蠕变过程中产生了更多的声发射信号,预制裂隙试样内部微破裂更显著。

由图7(b)可知:各级应力水平下,无预制裂隙试样累计声发射事件数增长平缓,没有发生突增现象,曲线斜率近似线性增长,而预制裂隙试样累计声发射事件数在第4级应力加载后发生突增现象,从1 560个增长到3 550个,曲线斜率变化显著;预制裂隙试样产生的累计声发射事件总数达20 837个,是无预制裂隙试样累计声发射事件总数的23.70倍。

综上所述,由于预制裂隙的影响,预制裂隙试样单级应力水平下声发射事件数和各级应力水平下累计声发射事件数均显著高于无预制裂隙试样,预制裂隙的存在对试样声发射事件数影响显著。这是由于在恒定应力作用下,预制裂隙极大程度地降低了试样的完整性和稳定性,沿预制裂隙端部微裂隙更易于萌生、扩展、搭接、相互贯通,尤其是预制裂隙试样产生的累计声发射事件总数是无预制裂隙试样累计声发射总数的23.70倍,表明预制裂隙的存在导致试样内部微破裂活动更为剧烈。

3.2 声发射b值特征分析

20世纪中叶,国外学者古登堡和里克特分析了大量的地震活动,提出了著名的古登堡-里克特关系(G-R关系)式,并将其应用于地震学领域中[27-28],即:

lgN=a-bM。

(1)

式中:N为震级不小于M的地震次数;M为地震震级;a为常数;b为地震学领域中的参数,能够很好地反映区域地震活动。

随着科研工作的开展,研究人员发现b值在岩石变形破坏过程中存在一定规律,通过将声发射幅值除以20来代替地震震级M,即:

ML=A/20。

(2)

式中:ML为声发射的“地震震级”;A为声发射幅值。

在声发射计算中,N为大于等于ML声发射事件发生的次数,采用最小二乘法计算声发射b值。试样内微破裂以小尺度破坏为主,对应b值表现为逐步增大;试样内微破裂以大尺度破坏为主,对应b值表现为逐渐减小。两种试样的轴向应变-时间-b值的关系如图8所示。

图8 两种试样的轴向应变-时间-b值关系图

从图8可以看出,在相同应力水平下,无预制裂隙试样与预制裂隙试样均发生减速蠕变和等速蠕变两个过程。在减速蠕变阶段,声发射b值下降;进入等速蠕变阶段,声发射b值缓慢上升。这说明:在减速蠕变阶段,试样内部微破裂尺度较大且处于不稳定扩展中,蠕变速率逐渐降低;进入等速蠕变阶段后,试样内部微裂纹稳定而缓慢扩展,试样内部微破裂以小尺度为主。与无预制裂隙试样相比,预制裂隙试样声发射b值点更为密集且上下波动剧烈,这是由于预制裂隙的存在降低了试样的完整性和稳定性,从而导致试样声发射b值波动更为剧烈。

无预制裂隙试样和预制裂隙试样的声发射b值极大值分别为2.401和2.537,极小值分别为0.864和0.546,极差分别为1.537和1.991。与无预制裂隙试样b值相比,预制裂隙试样b值极大值增大,极小值降低,极差增大,表明预制裂隙试样内部活动尺度大,内部损伤活动频繁,微裂纹扩展速度快,更容易产生失稳破坏。

3.3 破坏前兆差异分析

声发射b值的突降,轴向应变、累计振铃计数的突升可作为预示岩石失稳破坏的重要依据[29]。对试样最后一级应力水平下的声发射信号进行处理,得到两种试样在最后一级应力水平下轴向应变-时间-b值-累计振铃计数的变化情况,如图9所示。两种试样的破坏前兆信息见表3。

图9 试样轴向应变-时间-b值-累计振铃计数关系图

表3 试样的破坏前兆信息 s

分析图9、表3可知:在最后一级应力水平下,加速蠕变阶段,试样的累计振铃计数突升与b值突降都预示着试样的失稳破坏;无预制裂隙试样在61 s处发生应变破坏,累计振铃计数在52 s处突变预示破坏,较应变预示时间点提前9 s,而b值在35 s处骤降预示破坏,较应变预示时间点提前26 s;预制裂隙试样在641 s处发生应变破坏,累计振铃计数在599 s处突变预示破坏,较应变预示时间点提前42 s,而b值在575 s处骤降预示破坏,较应变预示时间点提前66 s。与无预制裂隙试样破坏时间点预测相比,预制裂隙试样在应变破坏、累计振铃计数预示破坏、b值预示破坏时间点方面均有所提前,可见预制裂隙的存在对于预示试样破坏有较好的效果。

由上述分析可以得出:无预制裂隙试样和预制裂隙试样的声发射b值对于预测试样失稳破坏效果最好,较应变破坏分别提前了26、66 s,其次是累计振铃计数,较应变破坏分别提前了9、42 s。声发射b值能更早地预示岩石的失稳破坏,可以作为一种有效的岩石蠕变破坏的前兆信息。