梅昭蝶 胡云進,2 包春燕

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興312000;2.紹興文理學院 巖石力學與地質災害實驗中心，浙江 紹興312000)

不同圍壓作用下的力學和巖石聲發(fā)射特性數(shù)值實驗研究

梅昭蝶1胡云進1,2包春燕1

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興312000;2.紹興文理學院 巖石力學與地質災害實驗中心，浙江 紹興312000)

運用巖石破裂分析RFPA2D系統(tǒng)，研究不同圍壓對巖石材料強度、變形特性、破壞形式的影響規(guī)律，進一步對不同圍壓下巖石破壞的聲發(fā)射特性進行深入研究.從模擬結果可看出：隨著圍壓的增大，巖石試件變形過程中的延性區(qū)間增長；所得到的圍壓與抗拉強度的關系是非線性曲線，說明使用的數(shù)值模擬系統(tǒng)能夠反應出巖石復雜的、非線性的破壞過程.同時，通過研究巖石破壞過程中聲發(fā)射的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增加，巖石聲發(fā)射頻度最大時刻存在滯后效應，且各階段的力學行為造成不同階段巖石內部的結構變化的特征信息.

巖石力學;圍壓效應;變形特性;聲發(fā)射

現(xiàn)代隧洞工程、采礦工程、水利水電工程等領域的巖體均處于三向受壓狀態(tài).一般來說,埋深越深,巖體所受的側壓也就越大.研究巖石在不同側壓下的破壞過程并發(fā)現(xiàn)其規(guī)律,這對巖土工程的安全性評價、設計與施工有著非常重要的指導意義.同時，不同圍壓下的巖石聲發(fā)射蘊含著豐富的損傷漸近破壞的前兆信息，對這些信息規(guī)律的研究有助于進一步認識巖石的損傷演化機理.巖石聲發(fā)射作為預測、預報微震的信息，可以依據(jù)區(qū)域定位法確定聲源區(qū)域從而對破壞部位進行分析，判斷巖石內部所受到的應力狀態(tài)，并及時處理發(fā)現(xiàn)的問題，這對推斷巖石的變形破壞過程提供重要依據(jù).此外，聲發(fā)射測量的原理是通過對有限的局部測量點的監(jiān)控，從而獲得周圍大范圍的介質的體信息，克服了應力、應變測量中只通過傳感器獲得介質中局部點信息的缺陷，為預測巖體的破壞提供了更多的信息.由于聲發(fā)射技術具有這些優(yōu)點，相關學者已開始廣泛關注這一技術在巖石材料損傷破壞特性研究方面的運用.

目前，現(xiàn)場觀測和實驗室物理試驗，是研究巖石破裂與失穩(wěn)的主要方法.近年來，相關學者對三向受力狀態(tài)下巖石破壞過程中的變形與聲發(fā)射特征通過物理試驗方法進行了大量研究.陳景濤[1]通過采用常規(guī)三軸壓縮試驗方法，研究了花崗巖破壞全過程的變形和聲發(fā)射特征，提出聲發(fā)射急劇增加階段的起點可用來判斷聲發(fā)射破壞的開始階段.楊永杰[2]對灰?guī)r進行三軸壓縮聲發(fā)射試驗，通過分析試驗得到聲發(fā)射參數(shù)，得到了三軸壓縮條件下的巖石損傷演化特征，在MTS815巖石實驗機上發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射振鈴最大時刻稍滯后于巖石宏觀破裂時間.在數(shù)值實驗方面徐濤等[3-6]通過模擬發(fā)現(xiàn)隨著圍壓水平的升高，試樣的聲發(fā)射頻度下降，主破壞時間向后推移，但對于聲發(fā)射頻度最大時刻與巖石主破壞時間的關系沒有進行探究，而實際監(jiān)測預警裝置的判斷依據(jù)就是取決于巖石主破裂時間點與巖石損傷聲發(fā)射頻度最大時刻的前后關系.由于此觀點對實際巖石損傷監(jiān)測意義重大，必須得到多方位的驗證，而現(xiàn)階段研究學者們對此觀點闡述還是較少.因此，聲發(fā)射頻度最大時刻與巖石宏觀破裂具體的前后關系還需進一步深入研究.

綜合以上所述，本文采用數(shù)值實驗方法對不同圍壓下巖石破裂過程中變形、破壞規(guī)律以及聲發(fā)射特性進行了一定的拓展，進一步確定了聲發(fā)射頻度最大時刻與巖石宏觀破裂時間的關系.另外，根據(jù)試驗得到的聲發(fā)射分布特征圖，對不同階段巖石破壞產生的變形特征和聲發(fā)射分布特征進行分析，揭示了巖石破壞過程的基本規(guī)律.本文數(shù)值實驗采用巖石破裂過程分析系統(tǒng)─RFPA2D，它是一個以彈性力學為應力分析工具、以彈性損傷理論及其修正后的Coulomb準則為介質變形和破壞分析模塊的一種對巖石破裂過程分析的軟件系統(tǒng).該系統(tǒng)最大的兩個特點是通過引入隨機分布函數(shù)來描述巖石材料的非均勻性(彈性模量、強度、泊松比、容重等力學參數(shù)的隨機性)，并引入了漸進破壞模型.從而能夠較真實地模擬巖石內部材料.

1 模型建立與參數(shù)選擇

基于巖石破裂過程分析軟件——RFPA2D，設定尺寸為100 mm×50 mm(長×寬)的巖石試件模型，網(wǎng)格劃分為100×50.如圖1所示，為了模擬實驗室試樣和加載板之間的摩擦效應，在模型上下各加入50 mm×5 mm(長×厚)的墊片.試驗選用平面應變模型，整個加載過程采用水平方向加圍壓，位移控制垂直方向的加載方式，每步加載位移量Δs=0.002 mm，模型的力學性質詳見表1.

圖1 數(shù)值模型

表1 試件基元力學性質參數(shù)

2 不同圍壓作用下巖石的力學特性

2.1應力-應變特征

巖體的應力一應變曲線反應了巖體在外界荷載作用下從開始變形、破壞到最后失去承載力的全過程[7]，也是描述材料力學性能極其重要的圖形.通過模擬不同圍壓下巖石的變形破壞過程,可得到如圖2所示的應力—應變曲線.試件在不同圍壓的條件下可以觀察到：巖體加載初期表現(xiàn)為線性變形的破壞特征，此階段曲線的斜率反應的是巖石介質彈性模量且基本接近模型初始彈性均值60 000 mPa，但是，進入非線性變形階段后，由于巖石內部隨機分布的相變基元數(shù)量的增加和局部微裂紋的形成，巖石彈性模量降低，呈現(xiàn)非線性階段的曲線的變化規(guī)律.

在不同圍壓加載過程中，我們可以看出在圍壓為0 mPa、3 mPa、6 mPa時，應力應變曲線起伏階段明顯，巖石變形的延性破壞較短，主要發(fā)生的是彈-脆性破壞；在圍壓為9 mPa、12 mPa時巖石的抗拉強度明顯增大且延性破壞階段變長，明顯解釋了圍壓對巖石的破壞過程所起的作用.試驗結果表明試件隨著圍壓的增大，屈服極限越高且延性區(qū)間增長，即巖石的塑形屈服階段增加了.這與物理實驗結果呈現(xiàn)了良好的一致性，表征著RFPA2D模擬軟件可以用于巖石破裂方面的研究.

1-0 mPa;2-3 mPa;3-6 mPa;4-9 mPa;5-12 mPa圖2 不同圍壓下巖石的應力應變曲線

2.2抗拉強度與圍壓的關系

RFPA2D系統(tǒng)采用的是Coulomb準則所要求的線性關系，但由圖3可以看出，不同圍壓下巖石抗拉強度呈現(xiàn)非線性的變化特征，巖石的宏觀變形表現(xiàn)出延展性、宏觀強度增強的趨勢.這是由于巖石是非均值性材料，在巖樣內部出現(xiàn)的應力分布是復雜的，同時荷載作用下巖石自身的非均勻程度會隨內部原有非均勻性和缺陷的擴展而增加，所以抗拉強度與圍壓呈現(xiàn)非線性的曲線,符合巖石受壓破壞的基本特征.

圖3 巖石抗拉強度與圍壓的關系曲線

3 不同圍壓作用下巖石的聲發(fā)射特性

巖石是一種含原生裂紋、孔隙的天然粒狀材料，在應力的作用下巖石內部會發(fā)生裂紋擴展的斷裂破壞和裂紋、孔隙閉合的塑性變形.這兩種形式的變形是巖石材料中主要的聲發(fā)射源.斷裂破壞的變形過程則屬于突發(fā)型聲發(fā)射信號,由實驗結果(圖4(a)(b))可以看出在巖石發(fā)生破壞時的聲發(fā)射幅值出現(xiàn)了明顯的高低起伏變化，其聲發(fā)射幅值很高但衰減很快，表明低圍壓時巖石發(fā)生了裂紋擴展的斷裂破壞，出現(xiàn)明顯的突發(fā)型聲發(fā)射信號；圖4(c)(d)是巖石破裂過程中的塑性變形階段，這一階段屬于連續(xù)型聲發(fā)射信號，其信號發(fā)射的是小幅度應力波脈沖.此時，高圍壓下的巖石還處在孔隙閉合的塑性變形階段，所以在這個階段下出現(xiàn)的是小幅度的連續(xù)型聲發(fā)射，而巖石在達到應力峰值之后開始發(fā)生延性破壞，聲發(fā)射信號連續(xù)且幅值較小.這兩種現(xiàn)象表征了巖石材料中有關連續(xù)型和突發(fā)型兩種聲發(fā)射信號特點的理論.

同時由數(shù)值模擬結果可分析出:在同一時間段內，低圍壓較高圍壓下巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)的早，并且隨著圍壓的增大，巖石聲發(fā)射頻度最大的時刻不斷滯后，同時聲發(fā)射頻度最大的時刻與應力-應變曲線的峰值逐漸不再對應，而是移動到應力-應變曲線的峰值之后的階段.這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于在低圍壓下巖石受圍壓的強化作用較弱，其剪切與破壞強度低，因此聲發(fā)射活動劇烈且后移現(xiàn)象出現(xiàn)的不明顯；但是，高圍壓下巖石的橫向束縛力較大且?guī)r石內部的孔隙已閉合，同時高圍壓對巖石的強化作用較強，因此巖石的抗剪切與破壞強度高，從而巖石中新裂紋的產生受到抑制，最終聲發(fā)射的爆發(fā)期與巖石宏觀破壞時刻出現(xiàn)相對的滯后，將此結果與相關模擬實驗[3-5]對比，進一步探究了在較高圍壓下巖石聲發(fā)射頻度最大時刻與宏觀破裂存在滯后現(xiàn)象，所以在今后的實際工程應用中可將此結論作為理論參考.

(a)3 mPa (b)6 mPa (c)9 mPa (d)12 mPa圖4 模擬試樣應力應變及聲發(fā)射特性曲線

如圖5所示為不同圍壓加載演化聲發(fā)射空間分布圖，圖中每一個圓圈代表一個微破裂點(即聲發(fā)射源)，圓圈的大小代表聲發(fā)射能量的相對大小.紅色為拉伸破壞，白色為剪切破壞，黑色為最終破壞.為了研究聲發(fā)射空間分布特征，選取具有代表性的聲發(fā)射四大時期發(fā)展過程(平靜期時刻、發(fā)展期時刻、爆發(fā)期時刻、回落期時刻)進行探究.

由圖5(a)所示，試件在圍壓為3 mPa時聲發(fā)射平靜時刻與發(fā)展時刻出現(xiàn)相應的微破裂點，在聲發(fā)射爆發(fā)期時刻的聲發(fā)射形成局部的微破裂帶，巖石內部存在明顯的張拉破壞和剪切破壞，這一特征信息體現(xiàn)著低圍壓下巖石的脆性破壞特征，最終的聲發(fā)射回落期明顯聚集在一條剪切帶上；由圖5(b)所示，在相對高圍壓為9 mPa時，巖石整體抗剪強度隨圍壓的增大而增大，由相關研究可知[8-9]，巖石在破裂過程中抗剪強度遠大于抗拉強度，故巖石在這期間主要發(fā)生的是剪切破壞，伴隨此過程出現(xiàn)的聲發(fā)射前期階段同樣出現(xiàn)了相應的微破裂點，由于巖石的這一破壞特征，使得聲發(fā)射爆發(fā)期和回落期階段的聲發(fā)射呈現(xiàn)彌散狀分布，預示著試樣由脆性破壞向延性破壞轉換的特征.這一方面相較于物理實驗而言可直觀看出巖石內部變化形態(tài)，巖石內部損傷的具體位置、損傷變化趨勢、損傷程度等.同時也可以明顯看出，不同圍壓下聲發(fā)射主要集中在峰值應力之后的幾個破裂帶上，試樣發(fā)生明顯的剪切運動，這對巖石的破裂失穩(wěn)現(xiàn)象的預測具有非常重要的意義.

實驗結果表明巖石所受的應力狀態(tài)不同，巖石破裂過程中各階段的力學行為造成不同階段巖石內部的結構變化，這一現(xiàn)象揭示了巖石破壞過程的基本規(guī)律.此外，在巖石力學中僅知道微破裂的發(fā)聲位置還遠不夠，微裂紋的產生模式和運動方向對于裂紋之間的相互作用機制的研究更為重要.

(a)圍壓3 mPa

(b)圍壓9 mPa

4 結論

(1)巖石破裂過程中各階段的力學行為造成不同階段巖石內部的結構變化，隨著圍壓的增大巖石破壞過程中的延性區(qū)間增長，同時，由于巖石的所受橫向束縛力較大使得內部顆粒的破壞和原有裂隙的滑移過程被抑制，從而聲發(fā)射頻度最大時刻不斷滯后.并且，峰值應力時刻并不對應聲發(fā)射頻度的最大值，而是在峰值應力之后的階段，意味著巖石爆裂時刻與聲發(fā)射報警信號發(fā)出時刻是有時間差的，這對巖石破裂失穩(wěn)的預測有一定的應用意義.

(2)由于端部效應的影響，試件中與上下墊板接觸的部分受墊板的側向限制而產生多向應力作用，使得此區(qū)域中巖石的承載能力增強，所以剪切帶出現(xiàn)在中間區(qū)域，并且聲發(fā)射能量主要集中在峰值應力之后的幾個破裂帶上.隨著破壞的發(fā)展巖石最終出現(xiàn)了明顯剪切破壞運動.

(3)對于應用在隧道工程、采礦工程、水利水電工程等巖石受三向應力狀態(tài)的工程中以聲發(fā)射頻度幅值為表征參數(shù)來分析巖石破壞演化過程，能夠較真實地反映巖石內部空洞閉合與裂紋擴展的逐步損傷演化過程，但是僅用聲發(fā)射頻度幅值作為表征參數(shù)應用在實際工程中具有一定的局限性，對于聲發(fā)射與巖石破裂失穩(wěn)的內在聯(lián)系還需進一步探索.

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NumericalSimulationofMechanicalandAcousticEmissionCharacteristicsinRockCompressionUnderDifferentConfiningPressures

Mei Zhaodie1Hu Yunjin1,2Bao Chunyan1

(1.School of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000;2.Centre of Rock Mechanics and Geological Disaster, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)

Using different confining pressures of rock failure analysis system RFPA2D, the paper explores the influence of confining pressures on the strength, deformation characteristics of rock material, the damage of rock in the form of acoustic emissions under different confining pressures.Furthermore, it explores the destruction of rock with the acoustic emission characteristics.The simulation results show as follows: with the increase of confining pressure, the ductility interval of rock deformation process is prolonged.The relationship between confining pressures and tensile strength constitutes a nonlinear curve which is obtained by numerical simulation test, indicating that the RFPA2D system can demonstrate the rock’s complex, nonlinear process of destruction.The study of the variation of acoustic emission in the destructive process of rock illustrates that with the increase of confining pressures, there is a hysteresis effect existing in the maximum time of rock acoustic emission frequency and the mechanical behavior of various stages exhibits the characteristics of inner structural change of rock.

rock mechanics; confining pressure effect; deformation property; acoustic emission

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2017.08.003

P584

A

1008-293X(2017)08-0014-06

2016-10-29

浙江省高等教育課堂教學改革研究項目(KG2015406).

梅昭蝶(1992- )，女，陜西西安人，紹興文理學院碩士研究生在讀，研究方向：巖土工程.

包春燕(1985- )，女，江蘇常州人，紹興文理學院土木工程學院講師，研究方向：巖石破裂失穩(wěn)的數(shù)值實驗和虛擬仿真.

(責任編輯魯越青)