片理結(jié)構(gòu)軟巖變形破壞聲發(fā)射特征

作者：陳娜李平韓華超曾志全邱士利來源：《武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）》日期：2022-08-11人氣：883

一般來說，帶片理結(jié)構(gòu)變質(zhì)巖材料的強(qiáng)度隨著層理傾角方向的變化而變化，具有顯著的片理效應(yīng)^［1］，其破壞模式與片理角度息息相關(guān)。聲發(fā)射是巖石在損傷破壞過程中應(yīng)變能以應(yīng)力波形式釋放的物理現(xiàn)象，其發(fā)生的振鈴計(jì)數(shù)、能量大小和頻次與巖石試樣所處的應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，可以作為試樣損傷的宏觀觀測標(biāo)準(zhǔn)^［2，3］。在工程中綠泥石片巖是典型的帶片理結(jié)構(gòu)的變質(zhì)軟巖，具有大變形、易崩解的性質(zhì)，因此在室內(nèi)試驗(yàn)中運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)手段分析巖石試樣損傷破壞變形特征對研究軟巖力學(xué)性質(zhì)具有重要意義。

近年來，學(xué)者從不同的研究方向?qū)r石的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究，并得到了很多研究成果。孫清佩等^［4］通過室內(nèi)單軸聲發(fā)射試驗(yàn)得到聲發(fā)射檢測儀（acoustic emission detector，AE）技術(shù)，能夠宏觀地表現(xiàn)層理巖石試樣的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，并得出層理傾角對巖石力學(xué)參數(shù)有重要影響的結(jié)論；趙菲等^［5］利用室內(nèi)改進(jìn)的真三軸儀（modified true-triaxial apparatus，MTTA）巖爆模擬試驗(yàn)系統(tǒng)和美國物理聲學(xué)公司（physical acoustics corporation，PAC）聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對不同高度的花崗巖進(jìn)行室內(nèi)爆破試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其損傷的能率隨著試件高度的降低有增大的趨勢；劉希靈等^［6］通過探討聲發(fā)射b值特征及b值影響因素研究巖樣損傷演化規(guī)律；李元輝等^［7］發(fā)現(xiàn)巖石破壞前會出現(xiàn)b值快速下降趨勢；李浩然等^［8］研究了花崗巖單軸壓縮下軸向縱橫波速與聲發(fā)射演化特征，并分析了二者變化的相關(guān)性；紀(jì)洪廣等^［9］通過高頻和低頻傳感器同步測試花崗巖AE演化，發(fā)現(xiàn)低頻與高頻AE變化趨勢基本一致，但主頻帶在破裂過程中發(fā)生改變。

這些研究揭示了片理結(jié)構(gòu)巖石的基本力學(xué)性質(zhì)、破壞準(zhǔn)則等規(guī)律，對于在工程中解決與片理結(jié)構(gòu)巖體有關(guān)的問題具有很大的參考價(jià)值，但是對于具有片理結(jié)構(gòu)的軟巖破壞規(guī)律和聲發(fā)射特征研究還不夠深入具體，基于以上考慮，針對綠泥石這一典型帶片理結(jié)構(gòu)的軟巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，獲取其力學(xué)變形參數(shù)和同步的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)參數(shù)，對不同片理角度綠泥石片巖的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和b值進(jìn)行規(guī)律分析，探索片理結(jié)構(gòu)軟巖的變形破壞聲發(fā)射特征。

1 試驗(yàn)細(xì)節(jié)

圖1為具體試驗(yàn)布設(shè)圖。巖樣來自鄂北水資源配置工程，為典型的帶片理結(jié)構(gòu)的綠泥石軟巖，采用切割方法將巖樣切割成1∶2的50 mm×50 mm×100 mm長方體試樣，加工角度θ為0°、45°、90° 3個(gè)片理角度（見圖1（a）），巖樣的平均密度為2 980 kg/m³，試樣兩端上下表面平整度誤差為±0.3 mm，表面平整度為±0.05 mm，端面垂直于試件軸線，允許偏差為±0.25°，試件加工精度按《水利水電巖石試驗(yàn)規(guī)程》（SL264–2001）執(zhí)行。

圖1 單軸壓縮試驗(yàn)試樣

Fig. 1 Uniaxial compression test

試驗(yàn)動(dòng)力采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自行研制的RMT-150C多功能巖石實(shí)驗(yàn)伺服機(jī)，其垂直最大出力1 000.0 kN，水平最大出力500.0 kN，最大圍壓50.0 MPa，該系統(tǒng)可以同時(shí)記錄荷載和位移等參數(shù)；聲發(fā)射采用NANO30的探頭，對應(yīng)的頻帶寬度為125~750 kHz，采用PCL-2聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)，聲波采樣頻率為1 MHz，根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境聲發(fā)射的采集門檻值設(shè)為45 dB。橫向微應(yīng)變采用TST3826F-L（W）靜態(tài)信號測試系統(tǒng)捕捉試樣上應(yīng)變片的信號，其最高采樣頻率5 Hz，系統(tǒng)示值誤差不大于0.5%±3 $μ ε$ ；根據(jù)試驗(yàn)要求側(cè)向微應(yīng)變系統(tǒng)采用1/4橋（120 $Ω$ 三線制自補(bǔ)償）的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的巡回檢測方式。

在試驗(yàn)過程中試樣采用沿豎向施加0.002 mm/s的應(yīng)變位移控制荷載的單軸壓縮加載方式，獲取綠泥石的強(qiáng)度、變形參數(shù)。測試過程中同步對側(cè)向微應(yīng)變和聲發(fā)射信號進(jìn)行全波形記錄，獲取綠泥石試樣在加載過程中的側(cè)向微應(yīng)變和聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)，以研究試樣破壞過程中側(cè)向微應(yīng)變變化趨勢和裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

側(cè)向微應(yīng)變在立方體試樣上相鄰垂直面中間位置倒T型布置4個(gè)應(yīng)變片；聲發(fā)射測試采用2個(gè)探頭在試樣1/3處相對面布置（見圖1（b）），探頭的檢測面抹上一層耦合劑緊貼在試件表面，采用膠帶固定，以減少聲發(fā)射信號的衰減，表1為具體試驗(yàn)方案。

表 1 試驗(yàn)方案

Table 1 Test Scheme

片理角度/(°)	尺寸/mm			單軸壓縮試樣/個(gè)
	長度	寬度	高度	弱風(fēng)化
	長度	寬度	高度	飽水	不飽水
0	50	50	100	5	6
45	50	50	100	6	6
90	50	50	100	6	6

2 巖石破壞特征的片理效應(yīng)

如圖2（a）所示，隨著片理角度的增加鄂北工程綠泥石的抗壓強(qiáng)度呈“V”形布置，呈現(xiàn)典型的片理效應(yīng)。其中，0°片理角度，抗壓強(qiáng)度為55.45 MPa；45°片理角度，抗壓強(qiáng)度為40.95 MPa；90°片理角度，抗壓強(qiáng)度為46.17 MPa。圖2（b）為不同片理巖石試樣應(yīng)力-應(yīng)變過程曲線，可以看出不同片理巖石應(yīng)力值隨著應(yīng)變的增加都先經(jīng)歷微裂隙閉合階段、彈性變形階段，再進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段、破壞階段，最后是峰后破壞階段。表2為各片理角度巖石試樣的力學(xué)參數(shù)。

圖2 片理效應(yīng)分析曲線

Fig. 2 Analysis curve of schistose effect

表2 天然狀態(tài)巖石試樣的力學(xué)參數(shù)

Table 2 Mechanical parameters of rock specimens in native states

片理角度/(°)	抗壓強(qiáng)度/MPa	彈性模量/GPa	泊松比
0°	55.45	8.91	0.43
45°	40.95	6.61	0.32
90°	46.17	8.69	0.41

3 聲發(fā)射特征的片理效應(yīng)

聲發(fā)射信號是巖石自身破裂產(chǎn)生的一種彈性應(yīng)力波，可以被粘附在巖樣周圍的聲發(fā)射探頭探測并接收。巖樣在荷載作用下，微裂紋的閉合、擴(kuò)張以及沿壁面的摩擦和滑動(dòng)都能引起彈性波的輻射，能夠定量地描述巖石在受荷變形過程中內(nèi)部晶格錯(cuò)位或微裂紋演化規(guī)律，在一定程度上代表其破壞過程中的能量釋放和損傷程度^{［10，11］}。大量研究表明聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與能量是反映材料性能變化的特征參數(shù)，聲發(fā)射的能量變化趨勢與振鈴計(jì)數(shù)基本一致，并且可以作為巖樣破壞前的預(yù)兆^{［12，13］}。本文對單軸試驗(yàn)中采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)和波形分析，揭示綠泥石損傷過程，確定其聲發(fā)射特征與片理角度的關(guān)系，從聲發(fā)射角度分析單軸壓縮試驗(yàn)中片理角度效應(yīng)問題。

3.1　裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律

選取AE能量和振鈴計(jì)數(shù)作為聲發(fā)射參數(shù)，分析其隨時(shí)間的變化規(guī)律來研究聲發(fā)射參數(shù)特征與片理角度之間的關(guān)系。圖3給出了立方體單軸壓縮試驗(yàn)過程中應(yīng)力-累積振鈴計(jì)數(shù)和能量的變化趨勢，從圖中可以看出，聲發(fā)射能量隨著加載的進(jìn)行經(jīng)歷了3個(gè)階段，分別為靜默階段、活躍階段和峰后平緩階段。其靜默階段對應(yīng)著應(yīng)力-時(shí)間狀態(tài)中的裂隙閉合階段，此過程中綠泥石片巖巖樣處于裂隙閉合階段，新生裂紋產(chǎn)生的數(shù)量小，產(chǎn)生的聲發(fā)射事件較少，能量釋放慢，累積振鈴計(jì)數(shù)從0開始，曲線呈水平凹趨勢增長；隨著加載的進(jìn)行，當(dāng)聲發(fā)射能量值局部出現(xiàn)第1個(gè)峰值的時(shí)候，此時(shí)聲發(fā)射能量靜默階段結(jié)束進(jìn)入聲發(fā)射活躍期，在聲發(fā)射活躍期中，可以看出聲發(fā)射能量值在不同的局部范圍內(nèi)出現(xiàn)小峰值，分別對應(yīng)著其應(yīng)力-時(shí)間曲線進(jìn)入彈性變形階段、裂紋擴(kuò)展階段和破壞階段，在應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，聲發(fā)射能量也相應(yīng)達(dá)到峰值，在此過程中聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)逐步穩(wěn)定增長并達(dá)到峰值，并且其增長變化趨勢與應(yīng)力-時(shí)間曲線變化一致（平行），說明聲發(fā)射信號是隨著應(yīng)力的加載巖石內(nèi)部之間微裂紋的閉合、萌生和擴(kuò)展的發(fā)展而產(chǎn)生的，反映巖石的受力狀態(tài)和破損機(jī)理。在峰后階段，累積振鈴計(jì)數(shù)曲線的斜率發(fā)生了稍微的變化，此時(shí)聲發(fā)射信號減弱，但累積振鈴總計(jì)數(shù)呈增長趨勢直至不再發(fā)生變化而呈水平狀態(tài)。由圖3對比分析可以得出結(jié)論：45°片理巖樣靜默期較長，聲發(fā)射能量大，抗壓強(qiáng)度低；0°和90°片理巖樣靜默期短，活躍期長，聲發(fā)射能量低，抗壓強(qiáng)度大。

圖3 天然弱風(fēng)化狀態(tài)單軸壓縮過程中不同片理角度的聲發(fā)射能量-應(yīng)力-累積振鈴計(jì)數(shù)演化規(guī)律

Fig. 3 Evolution law of acoustic emission energy-stress- cumulative ringing count at different slice angles during uniaxial compression in natural weakly weathered state

累積振鈴計(jì)數(shù)曲線斜率的變化可以作為聲發(fā)射信號增長速率來表征活躍期聲發(fā)射的強(qiáng)烈程度^［14］，進(jìn)而反映試樣內(nèi)部破壞的強(qiáng)烈程度。如圖4各狀態(tài)片理累積振鈴計(jì)數(shù)對比可以看出，同條件下45°片理結(jié)構(gòu)聲發(fā)射的信號增長速率小于0°片理和90°片理，飽和狀態(tài)的累積振鈴斜率小于天然狀態(tài)，說明同條件下45°片理結(jié)構(gòu)綠泥石片巖巖樣在單軸壓縮狀態(tài)下內(nèi)部損傷程度大于0°和90°片理角度綠泥石片理巖樣，飽和狀態(tài)下綠泥石片理角度巖樣在單軸壓縮條件下內(nèi)部損傷程度高于天然狀態(tài)綠泥石片巖巖樣。內(nèi)部損傷程度越小，強(qiáng)度越高。

圖4 各狀態(tài)片理結(jié)構(gòu)累積振鈴計(jì)數(shù)對比圖

Fig. 4 Cumulative ringing count comparison diagram of schistose structures in different states

3.2　聲發(fā)射b值特征

巖石試樣加載過程中，聲發(fā)射事件接收到的應(yīng)力彈性波事件被認(rèn)為是一種微震活動(dòng)，通過Gutenberg等^［15］提出著名的地震震級與頻度之間統(tǒng)計(jì)G-R關(guān)系式，得到相關(guān)參數(shù)b值，分析巖石變形破壞特征：

（1）

式中： $A_{d B}$ 為以分貝為單位表示的聲發(fā)射事件最大振幅； $N$ 為累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)； $a, b$ 為常數(shù)；對于巖石聲發(fā)射而言， $b$ 值表示裂紋擴(kuò)展尺度的函數(shù)；設(shè)計(jì)每1 000個(gè)AE事件數(shù)為1個(gè)計(jì)算段，以5 dB為步距對巖石聲發(fā)射幅值數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算^［6］。圖5為不同狀態(tài)片理角度b值與時(shí)間的變化曲線。

圖5 天然弱風(fēng)化狀態(tài)各角度b值與應(yīng)力變化曲線

Fig. 5 Variation curve of b value and stress at various angles in natural weakly weathered state

由圖5可以看出聲發(fā)射b值隨著應(yīng)力的加載一直處于上下波動(dòng)的狀態(tài)中，在加載初期，巖石試樣處于裂隙閉合階段，聲發(fā)射b值維持在一個(gè)較高的水平；隨著加載的進(jìn)行，進(jìn)入彈性階段的聲發(fā)射b值呈現(xiàn)整體下降的持續(xù)波動(dòng)狀態(tài)，在某段小范圍的時(shí)間里，處于相對穩(wěn)定的變化，說明此時(shí)巖石內(nèi)部新生裂紋發(fā)展緩慢，聲發(fā)射大小事件所占的比例變化很小，原生裂紋和新生裂紋的發(fā)展較為穩(wěn)定；進(jìn)入塑性階段后，聲發(fā)射b值減小速率開始增加，與彈性階段相比，此階段能量高的聲發(fā)射事件發(fā)生比例增加，新生裂紋事件增多；應(yīng)力繼續(xù)增大，聲發(fā)射事件持續(xù)降低，破壞前，在應(yīng)力跌落時(shí)聲發(fā)射b值出現(xiàn)驟降，說明巖石試樣內(nèi)部裂紋發(fā)展形勢發(fā)生變化，是裂紋突發(fā)式擴(kuò)張的表現(xiàn)。

從圖5可以看出，片理結(jié)構(gòu)45°時(shí)，聲發(fā)射b值與其他片理相比整體狀態(tài)較高，處于一種從初期較高的狀態(tài)平穩(wěn)降低的趨勢，降低幅度較小，波動(dòng)較小，裂紋發(fā)展受到限制，能量較低，事件穩(wěn)定；片理結(jié)構(gòu)0°和90°時(shí)，聲發(fā)射b值變化幅度整體較低，變化幅度和波動(dòng)幅度也較小，裂紋擴(kuò)展比較活躍，聲發(fā)射能量較高。

4 結(jié)論

針對鄂北工程圍巖穩(wěn)定性差、無自穩(wěn)能力易坍塌現(xiàn)象，開展了綠泥石室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了其片理效應(yīng)及其損傷機(jī)制，取得的具體結(jié)論如下：

1）鄂北水資源配置工程綠泥石片巖的層理效應(yīng)顯著，隨著片理角度的增加其抗壓強(qiáng)度和波速呈“V”形布置；0°和90°片理力學(xué)參數(shù)大于45°片理結(jié)構(gòu)。

2）從AE特征參數(shù)分析層狀巖石片理效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)片理角度之間的損傷特征存在差異。其中，45°片理巖樣靜默期較長，聲發(fā)射能量大，抗壓強(qiáng)度低；0°和90°片理巖樣靜默期段，活躍期長，聲發(fā)射能量低，抗壓強(qiáng)度大。

3）片理結(jié)構(gòu)45°時(shí)，聲發(fā)射b值與其他片理相比整體狀態(tài)較高，處于從初期較高的狀態(tài)平穩(wěn)降低的趨勢，降低幅度較小，b值波動(dòng)較小，裂紋發(fā)展受到限制，能量較低，事件穩(wěn)定；片理結(jié)構(gòu)0°和90°時(shí)，b值變化幅度整體較低，變化幅度和波動(dòng)幅度也較小，裂紋擴(kuò)展比較活躍，聲發(fā)射能量較高。

關(guān)鍵字：優(yōu)秀論文

上一篇：基于改進(jìn)條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)的水下圖像增強(qiáng)方法
下一篇：基于Arena仿真的高拱壩混凝土施工系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行效率

欄目分類

熱門排行

推薦信息

期刊知識