岩体原位直剪试验声发射特征及破坏机理研究*

2024-01-11赵志强吴顺川张小强贺鹏彬

工程地质学报 2023年6期

赵志强吴顺川张小强贾帅贺鹏彬

(①昆明理工大学,国土资源与工程学院,昆明 650093,中国)(②中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司,保定 071000,中国)

0 引言

岩体是由岩块及各种结构面组成的具有不连续性、非均质性和各向异性的地质体。岩体内部微裂纹的产生、扩展是造成岩体破裂失稳的直接因素(范雷等,2012; Xi et al.,2020; Fan et al.,2021; Qiao et al.,2021)。岩体的失稳变形破坏问题一直是岩体力学领域的热点问题和亟待解决的问题之一。

声发射技术是研究岩石材料损伤演化的有力工具。它可以连续实时地监测岩体内部裂纹的产生和扩展情况。近年来,声发射技术被广泛用于探索岩体的损伤和破坏过程研究中(Moradian et al.,2012; Du et al.,2020; 甘一雄,2020; Guo et al.,2020)。吴顺川等(2020)比较了上升时间/振幅比值(RA)和平均频率(AF)在不同传播距离下的分布规律并研究了RA/RF的比值r以及r的变异系数CV(r)在岩石破裂过程中的发展演化规律,研究表明r值变异系数可以对岩体的破裂发展过程进行描述。周辉等(2015)针对结构面的不同高度、法向压力、剪切速率下声发射的相关参数的变化,研究了结构面岩体在压剪荷载下的声发射特征及规律,分析了切向荷载是影响声发射参数的变化的主要原因。同时发现了结构面剪切时理想的声发射累积撞击曲线的3个不同阶段并且发现了能量率、撞击率与剪切速率的关联。对于非贯通节理岩体的扩展贯通过程,刘远明等(2014)将其分为4个阶段,并研究了不同阶段的强度特性并且发现法向应力相同情况下其强度特征的大小与节理表面的粗糙度相关。Kharghani et al.(2021)引入Kaiser效应在岩石应力的声发射测试中,可以高效地计算出地应力的大小。同时研究了不同角度的岩体各向异性对Kaiser效应的影响。Liu et al.(2020)在室内试验的基础上,开展了基于声发射监测的岩体内部应力和位移演化研究。同时在现场微震监测的基础上,研究了深部采场垮落前应力场和变形场分布及演化特征的差异。研究发现,岩体内部微裂纹、应力和变形的分布规律高度一致,能够反映岩石内部应力场和变形场的时空演化特征。对于脆性岩石进行单轴压缩及声发射试验,孟令超等(2020)得出了岩石的环向变形量、声发射信号的能级与岩石脆性程度成正比关系。王林均等(2019)同样针对脆性岩石进行了试验研究发现在岩体接近破坏时主导因素仍然是微裂纹扩展,同时声发射参数与岩体内部颗粒的胶结强度相关的结论。Pisconti et al.(2019)研究了高频声发射事件的P尾波。Kim et al.(2019)提出了一种新的方法来量化原位岩体损伤。Patricia et al.(2018)在径向压缩试验中使用声发射监测来评估两种岩体的断裂过程。Zhang et al.(2020)发现了不同尺寸岩体损伤演化的声发射特征。不同应力路径下岩石破坏前兆规律与声发射b值有关,声发射b值的快速下降对应着岩石试样在峰值强度后的应力快速释放降低,这可以作为破坏前兆的特征。除了上述这些岩体破裂过程的声发射研究,岩体破裂行为特征、裂纹动态演化等问题也被大量学者研究(Liu et al.,2021; Shang et al.,2021; Wang et al.,2021; Zhao et al.,2021)。

虽然应用声发射技术对岩体破裂过程的研究取得了大量的成果,但由于客观的观测场地、条件和声发射设备性能的局限,对大尺度原位岩体破裂过程的研究较少。岩体中含有节理、裂隙等缺陷,小尺度试验岩体往往会避免这种情况,这样获得的试验结果是否为自然环境的情况还有待商榷。而采用大尺度原位试验时,原位岩体会包含各种真实的岩石破裂状态,这样试验出的结果更符合工程实际。大尺度岩体相较于小尺度岩体可以提供更准确的力学参数值,有利于研究岩石物理力学效应的局部变化现象与岩石破裂前兆的区域性。本文为了研究岩体原位直剪试验过程中的声发射特征和破坏机理。选择内蒙古白云鄂博某矿山作为试验场地。采用美国PAC-2声发射系统记录现场直剪过程中节理岩体的声发射参数特征。通过后续对试验数据的分析和处理,分析现场岩体直剪试验中节理岩体的裂隙分布和破坏机理。该研究可为探索大尺度岩体现场直剪试验的声发射特征提供实验依据并分析岩体结构面剪切破坏行为,对保障矿山边坡安全具有重要作用。

1 工程概况

本次试验场位于中国内蒙古自治区包头市白云鄂博矿区,具体位置如图1所示。该矿区占有世界稀土矿产总探明储量的41%以上,以及铁、铌、锰、磷、萤石等175种矿产资源。它被称为世界“稀土之都”。本次试验岩体属于碳质黑云母片岩具有明显板状结构,如图1所示。

图1 试验现场软弱碳质黑云母片岩构造图

2 原位直剪试验过程

2.1 试验剪切盒设计

由于声发射信号采集与直剪试验同时进行,为了便于试验时采集信号,故对试验剪切盒重新设计。剪切盒尺寸为70cm×70cm×35cm,板1、板2和板3上有4个φ=3.5cm的圆孔,用于放置声发射探头,并且在圆孔外侧位置覆盖卡扣,卡扣上有可调节松紧的螺丝。卡扣共起两种作用:(1)防止试验过程碎石堵塞探头孔; (2)固定声发射探头使其紧贴试验岩样,使试验结果更为精准。为保证试验的准确和科学性,每板开孔位置设计在不同方位,具体开孔位置及卡扣规格如图2所示。

图2 原位直剪试验剪切盒设计图(单位:cm)

2.2 现场试验场地及试块制备

本次直剪试验的试坑平面尺寸为5.5m×2.1m,深度为1.0～1.5m,试样土体周围保留10cm以上进行人工修整。试块长宽高为70cm×70cm×35cm。试块为现场试验坑内原岩,通过人工开挖边坡台阶内未受工程扰动的岩体、修整成合适的试块大小,如图3所示。修整后发现,试验试块较为脆弱、破碎。经过现场讨论及咨询有关专家,决定在试验试块及剪切盒间填充水泥浆,达到填充试验剪切盒,并平整声发射试验探头贴合位置的目的。因为未对试验直剪面造成影响,且填充水泥浆较少,故对直剪试验及声发射试验影响微弱,可忽略不计。

图3 原位直剪及声发射试验场地及试块制备

2.3 声发射试验探头布置

本次声发射试验共安装12组传感器探头,分列除加载面的其余三面。为了获得良好的声学耦合效果,岩体样品和声发射传感器之间的界面涂有一薄层超声波耦合剂。安装方法及声发射探头布置示意如图4所示。为了执行完整的声发射测试采集过程,使用声发射信号检测单元,结合12个声发射传感器和12通道声发射信号处理系统(PCI-2),同步监测岩体样品中的剪切诱发声发射信号。

图4 声发射探头安装及布置示意图

2.4 直剪试验设备搭建

直剪试验需在剪切盒测试面安装横置推移千斤顶,竖向在试块上覆盖钢板上覆滚轴及钢板,在滚轴安装前先测定滚轴排的摩擦系数f。上层钢板上安置竖向千斤顶,在实验坑边缘安置原位直剪试验承压钢架,并由脚手架钢管固定,上覆压载袋(一袋重约3t),共12袋。在剪切盒的3个方向放置3组百分表,一组由2块百分表组成,共6块。百分表由万向节固定。采用平推法施加剪应力,正应力反力由配重提供,现场测试设备的安装如图5所示。

图5 原位直剪试验设备安装图

2.5 试验过程和结果分析

现场共制作5块岩石试块,进行5次直剪试验,得到5组不同的法向应力对应的切向应力读数。首先安装加载装置和位移计,然后分5个阶段施加法向荷载。在法向变形相对稳定后,施加切向荷载。切向荷载按等差数列顺序分8级施加,水平荷载连续、均匀。每分钟记录一次压力表和百分表的读数。当变形相对稳定时,可施加下一级荷载,直到剪切破坏。该试验的受力分析如图6所示,直剪试验数据分析结果见表1。

表1 直剪试验数据记录

图6 原位直剪试验试块受力分析

试验的法向应力σ和切向应力τ可表示为:

(1)

(2)

式中:σ为法向应力(kPa);τ为切向应力(kPa);PL为设备自重(kN);PV为液压千斤顶施加的法向荷载(kN);P0为试块自重(kN);F为滚轴的摩擦力(kN);PH为切向荷载,取最大值(kN);A为试块的剪切面积(m2)。

岩体的内摩擦角c和黏聚力φ采用最小二乘法按下式计算:

(3)

(4)

式中:c为内摩擦角;φ为黏聚力;n为样本数量;σ为法向应力;τ为切向应力。

经统计分析并计算得出,试块的黏聚力c为113.7kPa,内摩擦角φ为17.9°。通过现场观测和直剪试验结果分析,得出试验碳质黑云母片岩试样剪切面参差、起伏度小; 剪切破坏方向垂直于薄层节理面方向; 试样底层固结良好。

图7为切向应力-剪切位移曲线,数据仅记录到完全破坏,切向应力与加载初始阶段的剪切位移成正比。随着切向应力的增加,这种线性关系被打破,剪切位移突变并达到峰值,此时岩体发生剪切破坏。在图7中,随着时间的增加,位移线性增加,这表明此时位移是均匀的,岩体的切向应力均匀增加,岩体内部裂隙不断增加贯通。当切向应力到达峰值时,剪切位移急剧增加,表明岩体应力达到临界值,剪切面断裂,岩块受剪应力影响完全破坏。岩块的位移数据由百分表测量,因此初始位移不是0。由切向应力-剪切位移曲线得出该边坡岩体具有明显的由弹性变形到塑性变形的特征。

图7 直剪试验监测数据

由直剪数据分析结果可知,该边坡岩体的抗剪强度主要由黏聚力提供,内摩擦角较小。经试验发现原位直剪试验既体现了岩块本身的强度又同时兼顾了结构面对岩体强度的影响,故原位直剪试验相对于室内试验更能反映出现场岩体的真实状况,能提供更准确的岩体力学参数。

3 声发射监测和信号分析

参考ISRM推荐的实验室声发射监测方法(Ishida et al.,2017)。在试验期间,连续监测声发射参数。在现场直剪试验中施加剪切载荷同时,采集了碳质黑云母片岩样品(2坑2号样)的声发射信号。直剪试验约为16.5min。试验过程中声发射信号的撞击率变化曲线如图8所示。同时对比分析声发射信号的振铃计数率和平均绝对能量曲线如图9所示。探索试验过程中反应的相似规律。

图8 声发射信号的撞击率变化曲线

图9 振铃计数率与声发射信号平均绝对能量对比曲线

结合图8及图9可知,直剪试验的破坏过程可分为3个阶段:裂纹萌生阶段(弹性阶段)、裂纹扩展阶段和破坏阶段。裂纹萌生阶段(0～600s)的声发射信号微弱无声,随后裂纹扩展阶段(600～700s)的声发射信号不断增加。在破坏阶段(700～900s),每隔50s会出现一次突发信号。经过岩体内部应力调整后,声发射信号逐渐减弱。随着载荷的增加,切向应力增大,逐级加载后的声发射信号也逐渐增强。当试样达到剪切强度6.5MPa时,声发射信号的撞击率达到峰值。

振铃计数率可以描述岩体在直剪试验破坏时,岩体声发射状态及岩体损伤变形情况。平均绝对能量值是声发射撞击信号能量的真实反映。振铃计数率及平均绝对能量与声发射信号的撞击率正相关。当岩样处于裂纹扩展阶段时,声发射信号也同时增加。

因此,声发射参数与完整岩样的剪切行为之间存在良好的相关性,这表明声发射参数可用于量化岩样中损伤的起始和累积。

4 基于声发射特征的岩体破坏分析

声发射事件定位主要是通过不同位置的传感器拾取P(S)波到达时间差,应用盖格尔算法反演声发射源位置来反演岩石破裂源位置,进而实现声发射事件的定位(甘一雄等,2020)。

原位直剪试验破坏过程中,不同剪应力水平的岩体微破裂的声发射定位平面位置如图10所示,各图方格为剪切面面积,边长单位为mm。试样从0MPa加载至4.5MPa时,无声发射事件发生(图10a); 切向荷载从4.5MPa增加至5.5MPa时(图10a～图10c),岩体处于裂纹扩展阶段。此时,声发射事件较少,内部微裂纹产生量较少,岩体开始出现微破裂,并且微破裂位于剪切面中部偏下,靠近岩体在施加剪切荷载的后端部位。切向荷载从5.5MPa增加到6MPa 时(图10c～图10d),声发射事件继续增加。随着剪切载荷的增加,岩体内部微裂纹的位置逐渐前移,岩体中间区域出现密集的声发射事件。推测此处含有节理、裂隙区,且为剪应力的主要作用区。当切向载荷增加到6.5MPa(图12e)时,微破裂发生的位置集中于剪切面局部,直至形成宏观破裂面。在此期间,岩体处于破坏阶段,剪应力达到峰值强度6.5MPa。

图10 直剪试验过程中的声发射定位结果

岩样破坏后,剪切面条件如图10f所示。通过岩样破坏后的剪切面照片(破坏部位的重点部位用蓝点标示)和声发射事件位置图,可以清楚地看到岩体剪切破坏主要发生在剪切面中部,声发射事件也最为集中。

声发射试验的常用统计指标r值(上升时间(RA)/振幅比值(RF)),作为表征岩体破坏程度的指标具有一定的实用性,但监测中测得的最大值具有一定的偶然性。某一指数的瞬时增长,不能客观反映岩体内部破裂的加剧(Pomponi et al.,2013)。

对于r值,瞬间出现的偶然较大值,难以表明破裂的加剧程度。因此,在本次直剪-声发射试验中,选取基于r值的变异系数CV(r)值(标准偏差/平均值),作为统计指标(coefficient of variation,CV)。并与b值进行对比分析。CV(r)值的分布离散度可以描述岩体破裂情况。当CV(r)值离散度增加,说明岩体接近破裂或处于失稳阶段。

b值可以表征声发射事件的震级分布尺度,主要代表压缩条件下岩体中小震级和大震级破裂事件的相对数量,广泛用于岩体破裂的前兆分析和判断(Carpinteri et al.,2009; Rao et al.,2005)。b值越大,小破裂的比例越大,相反,大破裂是主导因素。基于G-R关系,b值的计算公式如下:

lgN=a-bM

(5)

式中:M为地震的震级;N是M+ΔM范围内的地震次数;a,b为常数,其中,b的取值与地震学一致。

图11为直剪试验过程中r值变异系数CV(r)和b值的统计特征的比较。样本容量n=200,以时间为自变量,展示分析结果。

图11 直剪试验期间CV(r)值和b值的特征比较

由图11可知,当试样临近破坏时,往往趋势为b值的陡降及CV(r)的陡增。在裂纹萌生阶段(弹性阶段)声发射事件较少,故本文不研究该阶段对应变化。在裂纹扩展阶段,b值分布在1.25～2.25之间,对应的CV(r)值在该阶段分布在0.75和2之间,基本稳定在1.5周围,表明试样以小破裂为主。而在破坏阶段,b值开始急剧下降,分布在1.0～1.5之间。而CV(r)值急剧增加,说明此时岩体以大破裂事件为主,成分是剪切破坏。

从以上结果可以看出,CV(r)值的分布和变化与b值规律呈现相反的特征。当CV(r)值增大时,b值减小,反之亦然。因此,CV(r)值可以作为岩体断裂破坏强度的判断值。分析结果与其他试验参数和实际情况相一致。

上述分析表明,在工程实践中,岩体的断裂和破坏可以通过检测到的声发射数据来区分。声发射事件的快速增加和声发射参数的突变是预测岩体失稳和剪切破坏形成的有用指标。