不同岩石的抗压和抗拉破坏特征试验研究

2023-08-23罗桂桃

岩土工程技术 2023年4期

罗桂桃

（吉安市水利水电规划设计院，江西吉安 343000）

0 引言

“深地、深海、深空”已成为国家重大战略发展方向，我国对能源、资源的刚性需求将促使地下工程进一步向深部发展[1]。在深部地下工程建设中面临着极其复杂的地质条件，岩爆、高地温、突水突泥等灾害频发，严重影响施工进度和人员安全。在向深部岩土体开挖的过程中，地应力是制约机械开挖效率的重要因素，由此引发的灾害造成严重的地下工程安全问题。例如：在高地应力区域施工极易产生岩爆现象[2]；在煤炭开采等地下工程中，顶板岩石冒落与拉应力密切相关。因此研究深部岩土体的变形与破坏特征对于围岩结构失稳和加固具有广泛的意义。

岩石内部区域，由于变形和破裂的形成，伴随着应变能快速释放而产生瞬态弹性波的现象称为声发射[3]。声发射是一种检测岩石内部裂纹发展情况，刻画岩石破裂孕育、延伸、扩展、贯通的一种有效手段。作为一种无损伤检测手段，声发射被广泛应用于岩石损伤检测，为岩石失稳性参数特征演化分析以及灾害预警提供了重要的数据支撑。岩石材料受力破坏过程中的声发射特征有较多的基础性研究，比较分析了复杂应力加载路径下岩石的变形破坏特征和声发射规律。董志凯等[4]采用声发射三维定位系统和颗粒流模拟软件研究了单轴压缩下大理岩的声发射特征，以声发射能量为依据指出大理岩的损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定阶段、损伤加速发展阶段、损伤破坏阶段。王创业等[5]基于频谱分析理论，分析了砂岩单轴压缩破坏过程的主频变化特征和频带能量占比规律，结果表明在岩石破坏不同阶段，主频频率变化特征不同，临近破裂时声发射主频更加离散化。吴顺川等[6]采用声发射监测系统开展线/非线荷载接触条件下低空隙率砂岩巴西劈裂试验，结果表明巴西劈裂对荷载条件并不敏感。众多国内外学者对单轴、三轴、真三轴、巴西劈裂等不同应力路径下岩石的破坏特征和声发射规律进行了研究。

大部分研究只是单独对某一种岩石进行单一应力路径下声发射特征的描述，对同一种岩石不同应力路径下破坏变形特征及其机理研究以及不同岩石同一应力路径下的岩石破坏声发射特征研究的较少，没有形成较为系统性的研究。本文采用声发射技术，对4 种不同岩石在单轴压缩和巴西劈裂两种应力路径下的失稳过程进行了系统试验研究，直观反映不同岩性岩石内部裂纹孕育、萌生、扩展、贯通的时空演化特征，分析在应力发展过程中声发射不同参数的演化规律，并结合不同岩石的结构特征和矿物组分的差异性，从微观层面对其破坏机制进行分析，得到不同岩石不同应力路径下裂纹演化发展的三维时空规律，为地下工程围岩结构的支护设计、施工、加固、运营提供了理论指导和技术支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用4 种岩石：花岗岩、砂岩、大理岩、灰岩，分别来自不同的产地，岩石试样如图1 所示。自然状态下这四种岩石质地均匀，肉眼无可见的缺陷。试验主要包括单轴压缩试验和巴西劈裂试验两种试验工况，根据国际岩石力学学会标准，将两种试验工况下的岩石经过切割、钻取、磨平等工序分别加工为φ50×100 mm 的单轴压缩圆柱样和φ50×25 mm 的巴西劈裂圆盘样。每种试验工况下每种岩石试样为3 件，即对于单轴压缩试验和巴西劈裂试验而言，每种岩石进行3 次重复试验，以减小岩石非均质性带来的试验误差。单轴压缩试验和巴西劈裂试验各采用12 个岩石试样。

图1 岩石试样

1.2 力学试验和声发射监测

采用TAW-2000 电液伺服岩石三轴试验机进行力学加载，巴西劈裂和单轴压缩两种工况均采用位移控制的方式进行加载，加载速率均为0.05 mm/min，直至试样破坏停止试验。在岩石压缩破坏和劈裂破坏的过程中利用声发射监测设备（AMSY-6）对这四种岩石进行损伤破坏监测。在每种试验工况中将声发射探头以凡士林为耦合剂放置在合适、固定的位置，以减小试验数据的偶然性和不确定性。声发射监测门槛值设置为40 dB，采集频率为5 MHz，岩石在破坏过程中产生的信号经过前置放大器放大后在单通道中进行传输。

2 力学试验结果与分析

不同岩性的岩石由于其形成机制不同，其内部结构和矿物组成也会有较大的差别，例如：花岗岩坚硬致密，其力学强度相对较大；而砂岩颗粒空隙较大，往往形成的结构不致密，导致其强度较小。如图2所示，不同岩石巴西劈裂强度从大到小依次为花岗岩、灰岩、砂岩和大理岩；单轴压缩强度从大到小依次为花岗岩、灰岩、砂岩和大理岩。岩石的单轴抗压强度和巴西劈裂强度变化规律类似。其中以花岗岩的力学强度最大，远远大于其他岩石的力学性能，而灰岩、大理岩和砂岩力学性质相差不大。

图2 不同岩石巴西劈裂和单轴抗压强度

2.1 巴西劈裂试验

一般岩石的变形可分为四个阶段：压密阶段、弹性阶段、塑性阶段以及破坏阶段[7]。图3 为不同岩样巴西劈裂应力变化情况，对于巴西劈裂试验而言，岩石变形发展趋势并不符合这四个阶段的变化趋势，主要表现为非线性发展趋势和线性变化两个趋势。在加载初始阶段由于岩石内部裂隙处于压密阶段，因此应力表现为非线性变化，之后表现为线性变化。四种岩石都在150 s 以后发生破坏，花岗岩发生破坏时所用的时间最长，其次是砂岩，灰岩和大理岩在200 s左右发生破坏。另外，四种岩石在发生破坏后大约50 s 左右又都出现一个“台阶式”应力衰减阶段，表明岩样发生了二次破坏，且花岗岩二次破坏最为明显，大理岩最弱。岩样在不同工况下的应力增长速率见表1，破坏速率指发生破坏前岩石平均应力增长速率（即线性变化阶段的增长速度），花岗岩的应力变化速率最大为0.028 MPa/s，砂岩速率最慢，为0.01 MPa/s，灰岩和大理岩的应力变化速率相似。说明花岗岩的结构致密，荷载增加速度快；而砂岩的颗粒孔隙较大，在荷载的作用下变形较大，荷载增加速度慢。

表1 岩样在不同工况下的应力增长速率（应力破坏速率） MPa/s

图3 巴西劈裂应力随时间变化曲线

2.2 单轴压缩试验

图4 为单轴压缩应力随时间变化曲线。单轴应力状态下，岩石变形基本符合压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。4 种岩石都在700 s 以后发生破坏，在单轴压缩过程中花岗岩达到破坏时所用时间最长，砂岩与花岗岩破坏时间几乎相同，其次为灰岩和大理岩。与其他三种岩石相比，大理岩发生破坏时应力随时间变化较为平缓，说明此时大理岩内部应变较为缓慢，出现了塑性形变。如表1 所示，就平均应力增长速率而言，大理岩和花岗岩应力变化速率相似，为0.05 MPa/s，砂岩速率最慢，为0.02 MPa/s。

图4 轴压缩应力随时间变化曲线

3 声发射试验结果与分析

3.1 巴西劈裂声发射特征分析

如图5 所示，在巴西劈裂实验中，对于大理岩，随着加载过程中应力的上升，振铃计数和能量计数几乎无变化，撞击计数在发生较小的波动变化并在塑性阶段持续上升，并都在破坏时达到峰值，在塑性变形发生后，振铃计数和撞击计数还在随之变化，并在二次破坏时又出现小的峰值，而能量计数无变化。对于花岗岩，破坏前撞击计数出现波动并逐渐上升变大，同时振铃计数在塑性阶段出现小的波动变化，发生破坏时几个参数都达到峰值，在二次破坏时也都出现了一个峰值。对于灰岩，能量计数只在发生大破坏时出现峰值变化，而在其它情况下无变化，振铃计数在加载初期出现波动变化，且在二次破坏时振铃计数出现小峰值，撞击计数出现了较大的峰值变化。对于砂岩，在发生破坏前振铃计数和撞击计数仅出现小的波动，破坏时达到峰值，二次破坏时能量计数和振铃计数峰值反而变大。

图5 巴西劈裂作用下应力、振铃计数、能量计数以及撞击计数变化

以上结果表明，撞击计数对于岩石的变形破坏反应最为敏感，刚开始变形较小时，已经出现震荡的撞击信号，随着应力的增大，撞击计数逐渐增多，并在破坏那一刻达到峰值。另外，大理岩在塑性变形阶段撞击计数有较大幅度的变化，花岗岩在破坏后撞击计数稳定，二次破坏后达到最低峰，灰岩和砂岩都在发生破坏后撞击计数逐渐降低，二次破坏时又产生一个相对较大的峰值。在发生破坏时的大理岩的撞击计数最大，灰岩的撞击计数最少。振铃计数反映岩石内部的破裂情况，在发生破坏时，振铃计数都会有一个较大的突变峰值，且花岗岩和大理岩的峰值大于砂岩和灰岩峰值。振铃计数仅在发生大的变形破坏时才会产生变化，并且转折点为岩石破坏的预警点。能量计数的变化趋势与振铃计数大致相似，只有砂岩和花岗岩在二次变形时出现能量计数峰值变化，且发生破坏时花岗岩和大理岩的能量大于砂岩和灰岩能量值。

3.2 单轴压缩声发射特征分析

如图6 所示，在单轴压缩实验中，对于大理岩，在压缩破坏前，振铃计数明显发生较大的波动，能量计数出现较大的峰值波动，但不连续，撞击计数也随时间逐渐增多，在发生破坏时振铃计数出现较大的峰值响应，而能量计数变化不明显，撞击计数在整个破坏阶段一直波动。对于花岗岩，在破坏前振铃计数以及撞击计数在随时间发生变化，且撞击计数波动幅度更大，但在塑性阶段撞击计数随时间变小，而能量计数几乎无变化，当发生破坏时三者同时出现峰值。对于灰岩，破坏前振铃计数和撞击计数都发生较大的波动，而能量计数相对波动较小，当发生破坏时能量计数和振铃计数出现明显的峰值，而撞击计数的峰值较小。对于砂岩，发生破坏前除撞击计数和振铃计数在塑性变形时波动不大，能量计数几乎变化不明显，当发生破坏时，三者都出现较为明显的峰值。

在单轴压缩荷载作用下，振铃计数和撞击计数在岩石发生破坏前不同阶段都有响应，而能量计数仅在发生破坏时才有明显的响应，但对大理岩作用不明显。四种岩石在发生破坏时对振铃计数都有响应，且大理岩、花岗岩和砂岩较为明显；花岗岩对撞击计数更为敏感，其次为大理岩和砂岩，最后为灰岩。在发生单轴压缩破坏过程中，对于花岗岩和砂岩，其声发射参数随岩石破坏较为一致，大理岩对振铃计数和撞击计数响应较一致，灰岩对能量计数响应较敏感。