吳 剛 ，王德詠，翟松韜

（1. 上海交通大學 海洋水下工程科學研究院，上海 200231；2. 中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008；3. 上海交通大學 土木工程系，上海 200240）

1 引 言

諸多巖石工程，如核廢料處置、煤與油頁巖的現(xiàn)場氣化、深部礦產(chǎn)資源開采及地熱資源開發(fā)等，均涉及高溫巖石力學問題。高溫會改變巖石結構并導致巖石強度和變形特性發(fā)生變化。聲發(fā)射技術是研究巖石類材料失穩(wěn)、破裂及演化過程的一個良好工具，已被廣泛應用于巖石類材料破裂失穩(wěn)機制的研究。因此，開展溫度作用下巖石的聲發(fā)射特性研究具有學術與工程應用價值。

有關巖石破壞過程的聲發(fā)射特性，國內(nèi)外學者已進行了大量的試驗研究，取得了豐碩的研究成果[1－5]；近十余年來，巖石聲發(fā)射的研究領域也得到進一步拓展。吳剛等[6]通過對加、卸荷應力狀態(tài)下的聲發(fā)射試驗，研究了不同應力狀態(tài)下巖石類材料破壞的聲發(fā)射特性。唐春安等[7]運用巖石破裂過程分析 RFPA2D系統(tǒng)，通過對巖石試樣中預置的傾斜裂紋擴展過程的數(shù)值模擬，研究了材料非均勻性對巖石介質(zhì)中裂紋擴展模式（聲發(fā)射和"巖橋"現(xiàn)象）的影響。蔣海昆等[8]研究了高圍壓和不同溫度條件下花崗巖變形破壞及聲發(fā)射時序特征。李庶林等[9]對單軸受壓巖石破壞全過程進行聲發(fā)射試驗，得到巖石破壞全過程力學特征和聲發(fā)射特征，研究了聲發(fā)射事件數(shù)(AE數(shù))、事件率與應力、時間之間的關系。尹賢剛等[10]通過對巖石單軸受壓破壞的聲發(fā)射試驗，建立了巖石破壞聲發(fā)射強度分維模型。李俊平等[11]在單軸壓縮條件下, 分別討論了4種巖石在考慮滲流和不考慮滲流條件下的聲發(fā)射特征。張淵等[12]在實驗室對溫度影響下巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象進行了初步的研究和探討。Cai等[13]提出一種利用聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)結合有限元應力分析對巖體強度參數(shù)進行反演的新方法，其反算的巖體強度參數(shù)與現(xiàn)場測試結果相符合。Ganne等[14]利用聲發(fā)射技術對巖石峰值前的脆性破壞進行了研究，給出了整個過程中累積聲發(fā)射能量的4個過程。趙興東等[15]應用聲發(fā)射及其定位技術，對單軸壓縮載荷下花崗巖破裂失穩(wěn)過程進行了研究。趙奎等[16]通過單軸壓縮巖石聲發(fā)射試驗，確定了Kaiser點并進行了小波分析。武晉文等[17]通過試驗研究了花崗巖在三軸壓力狀態(tài)下聲發(fā)射在中高溫（400 ℃以下）作用下的變化規(guī)律。He等[18]在室內(nèi)對真三軸卸荷狀態(tài)下石灰?guī)r巖爆過程的聲發(fā)射特性進行了研究。周小平等[19]采用混沌動力學理論研究了巖石的聲發(fā)射活動規(guī)律。

本文通過對經(jīng)受不同高溫作用后焦作砂巖在單軸壓縮下所進行的聲發(fā)射測試，分析了經(jīng)歷不同溫度后砂巖的聲發(fā)射振鈴累計數(shù)隨時間的變化規(guī)律以及高溫后砂巖的應力-應變與聲發(fā)射率的關系，對高溫后砂巖強度與聲發(fā)射振鈴累計數(shù)的關系進行了初步探討。

2 試驗概況

試驗所用巖樣為取自河南焦作的砂巖，主要成分為石英、長石、云母、炭質(zhì)、方解石及菱鐵礦等。將其加工成高為100 mm，直徑為50 mm的圓柱體。其溫度劃分、編號及加溫過程參見文獻[20]。結合高溫后焦作砂巖的力學性能，本文對其中38個巖樣的聲發(fā)射特征參量進行對比分析。

利用RMT-150B型巖石力學多功能試驗系統(tǒng)進行高溫后砂巖的單軸壓縮破壞試驗，同時通過美國PAC公司的LOCAN320聲發(fā)射儀采集聲發(fā)射信息。高溫后砂巖的單軸壓縮破壞試驗均采用位移控制模式。試驗中設定聲發(fā)射儀的主放為35 dB，門檻值為45 dB。

試驗中聲發(fā)射采用單通道采集數(shù)據(jù)，聲發(fā)射探頭位于巖樣中部，探頭與巖樣之間以凡士林作為耦合劑，并用膠帶固定于巖石之上，如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of AE monitoring system

3 高溫后砂巖的聲發(fā)射振鈴累計數(shù)

焦作砂巖受溫度作用后的聲發(fā)射振鈴累計數(shù)與時間的關系曲線，如圖2所示。圖3為不同溫度下砂巖的振鈴累計數(shù)變化關系。

從圖2、3可以看出：① 經(jīng)歷100 ℃后，砂巖的聲發(fā)射振鈴累計數(shù)最小，表明此時巖樣由于熱應力作用致使內(nèi)部缺陷有一定程度的愈合，受壓后內(nèi)部裂紋擴展較為緩慢。②經(jīng)歷100～400 ℃后，砂巖的振鈴累計數(shù)不斷增加，說明隨溫度升高，在壓力作用下砂巖內(nèi)部裂紋不斷發(fā)展；400 ℃后，振鈴累計數(shù)達到最大值。③600 ℃后，砂巖的聲發(fā)射振鈴累計數(shù)較400 ℃急劇降低，可能是由于熱熔效應導致砂巖內(nèi)部部分裂紋閉合，致使裂紋數(shù)量下降。④800～1 200 ℃后，砂巖的振鈴累計數(shù)均有不同程度的增加。其中1 200 ℃后，砂巖聲發(fā)射累計數(shù)最大，表明高溫致使砂巖高度劣化，產(chǎn)生宏觀裂縫，受壓后裂紋急劇擴展。

4 受壓下高溫后砂巖的應力-應變與聲發(fā)射率

試驗結果表明：受壓下砂巖應力峰值前的變形主要以裂紋為主導的變形，變形后與結構破壞位置對應，與砂巖的應力-應變曲線的壓密階段、彈性變形階段、裂紋穩(wěn)定擴展階段、裂紋非穩(wěn)定擴展階段、破壞階段相對應，聲發(fā)射活動也均有不同的特征，一般聲發(fā)射的特性也可分為4個階段：在微裂紋壓密（能量吸收）過程中，由于巖石的各向異性及非均勻性，有極少量的聲發(fā)射信號；彈性變形階段，聲發(fā)射幾乎不產(chǎn)生，裂隙閉合后，巖樣微裂紋萌生，聲發(fā)射信號出現(xiàn)并小幅度上升；隨后，砂巖內(nèi)部裂紋穩(wěn)態(tài)擴展，聲發(fā)射信號明顯增加，巖石微裂紋劇烈擴展；當達到峰值應力時，聲發(fā)射率出現(xiàn)峰值；然后裂紋繼續(xù)擴展，導致巖樣失穩(wěn)破壞。

圖2 高溫后砂巖聲發(fā)射振鈴累計數(shù)與應變（時間）的關系Fig.2 Relations of strain (time)and ring-down accumulation counts for sandstone after high temperatures

圖3 不同溫度下砂巖聲發(fā)射振鈴累計數(shù)的變化Fig.3 Changes of ring-down accumulation counts for sandstone after different temperatures

由試驗數(shù)據(jù)，繪制出20～1 200 ℃溫度作用后焦作砂巖在單軸壓縮下的應力-應變與聲發(fā)射振鈴計數(shù)率的典型關系曲線如圖4所示。

由圖4可看出，最強的聲發(fā)射信號主要發(fā)生在應力-應變曲線的轉折點附近，這意味著砂巖內(nèi)部能量的突然釋放。高溫后焦作砂巖受壓下的力學狀態(tài)與聲發(fā)射表現(xiàn)為：①在20～600 ℃后，砂巖呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。150～200 ℃后，砂巖在達到應力峰值前聲發(fā)射信號較為穩(wěn)定，砂巖內(nèi)部裂紋呈穩(wěn)態(tài)擴展。400 ℃以前，不同溫度下振鈴計數(shù)率變化不大，這恰好印證了400 ℃以內(nèi)溫度對砂巖力學性能影響不大的結論[20]。400 ℃溫度作用后，砂巖脆性增強，峰值強度達到最大，聲發(fā)射振鈴累計數(shù)也達到最大值。②600 ℃以后，砂巖的聲發(fā)射率增強，800 ℃以后，砂巖呈塑性變形，在峰值強度以后砂巖的聲發(fā)射現(xiàn)象明顯。經(jīng)歷800 ℃后，砂巖應變達到最大處其聲發(fā)射顯著，表明砂巖塑性增強。經(jīng)歷1 200 ℃高溫后，由于砂巖已高度劣化，具有宏觀裂紋，呈塑性破壞特征，加載初期就出現(xiàn)聲發(fā)射信號，殘余變形階段還釋放出密集的聲發(fā)射信號。

圖4 高溫后砂巖應力-應變-振鈴計數(shù)率關系曲線Fig.4 Relations of strain-stress and ring-down count rate for sandstone after high temperatures

5 高溫后砂巖的強度與聲發(fā)射振鈴累計數(shù)

圖5為經(jīng)歷20～1 200 ℃溫度作用后焦作砂巖的平均聲發(fā)射振鈴累計數(shù)與平均單軸抗壓強度的變化情況。

通過計算分析可知：20 ℃時，砂巖的振鈴累計數(shù)為4.90×106；從20～100 ℃，AE振鈴累計數(shù)下降了70.17%，降至1.46×106，而單軸強度上升13.65%；100～150 ℃，AE振鈴累計數(shù)上升379%，單軸強度下降1.37%；150～200 ℃，AE振鈴累計數(shù)變化不明顯，僅下降1.73%，而單軸強度下降7.37%；200～400 ℃，AE振鈴累計數(shù)上升249%，單軸強度上升17.36%；400～600 ℃，AE振鈴累計數(shù)下降76.64%，而單軸強度下降23.19%；600～800 ℃，AE振鈴累計數(shù)上升68.0%，而單軸上升3.52%；800～1 000 ℃，AE振鈴累計數(shù)上升89.5%，而單軸強度下降6.2%；1 000～1 200 ℃，AE振鈴累計數(shù)上升27.5%，并達到最大值即22.81×106，而單軸強度下降84.6%。在100 ℃和600 ℃后，砂巖的聲發(fā)射累計數(shù)突變性均較大，試樣內(nèi)部裂紋較為穩(wěn)定，100 ℃聲發(fā)射現(xiàn)象下降是由于高溫導致內(nèi)部裂紋的閉合，砂巖峰值強度也有所升高，600 ℃后聲發(fā)射振鈴累計數(shù)再次下降，說明砂巖礦物結構在高溫下發(fā)生了一定的變化。400℃后，砂巖的單軸強度和振鈴累計數(shù)均達到最高值。

圖5 高溫后砂巖的平均單軸抗壓強度與平均振鈴累計數(shù)Fig.5 Relations of average uniaxial compressive strength and cumulative ring-down counts for sandstone after high temperatures

600 ℃和800 ℃作用后，高溫導致砂巖的礦物成分和內(nèi)部結構發(fā)生變化，焦作砂巖的強度呈現(xiàn)分化。圖 6為砂巖 600℃后 (6個巖樣)和 800℃后(6個巖樣)的振鈴累計數(shù)與抗壓強度的對比情況。

圖6 600 ℃及800 ℃后砂巖振鈴累計數(shù)和抗壓強度對比Fig.6 Relations of uniaxial compressive strength and cumulative ring-down counts for sandstone after 600 ℃ and 800 ℃

由圖6可知，600 ℃后砂巖的聲發(fā)射振鈴累計數(shù)最低為1.88×106，最高為1.2×107；抗壓強度最低為108.9 MPa，最高為169.9 MPa；具有顯著規(guī)律即砂巖的聲發(fā)射振鈴累計數(shù)和抗壓強度的相關性較明顯，表現(xiàn)為振鈴累計數(shù)越高，單軸抗壓強度越低，振鈴累計數(shù)呈下降趨勢，這與文獻[21]中抗壓強度與聲發(fā)射呈正相關性的結論有所不同。800 ℃后砂巖的聲發(fā)射振鈴累計數(shù)最低為 1.0×106，最高為3.5×107；抗壓強度最低為 81.354 MPa，最高為191.03 MPa；隨振鈴累計數(shù)的上升，抗壓強度變化規(guī)律不明顯。

6 結 論

（1）高溫后砂巖在單軸壓力下有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，高溫對砂巖的聲發(fā)射影響較大。

（2）100、600 ℃作用后的砂巖聲發(fā)射累計數(shù)明顯降低，初步推斷100 ℃是砂巖裂紋擴展發(fā)育的門檻值，600 ℃是高溫導致砂巖內(nèi)部結構成分發(fā)生變化的門檻值。

（3）從20～1 000 ℃，隨著溫度升高，砂巖塑性逐漸增大，脆性減弱；砂巖出現(xiàn)較明顯的聲發(fā)射信號延遲現(xiàn)象。

（4）1 200 ℃后，巖樣呈明顯塑性破壞特征，加載至巖石破壞一直伴隨著強烈的聲發(fā)射信號，由此可見，高溫對砂巖裂紋的擴展有明顯的影響。

（5）600、800 ℃后，砂巖的強度出現(xiàn)分化；600 ℃后砂巖的聲發(fā)射振鈴累計數(shù)隨強度增高而減少；800 ℃后砂巖的聲發(fā)射與強度無規(guī)律性。

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