李煒強，李冬偉，成 功

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中核集團高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029)

0 引 言

隨著礦山開采、水利水電和交通隧道等大型巖土工程建設(shè)遍布全國，工程建設(shè)條件和工藝手段日趨復(fù)雜，常伴隨沖擊地壓、巖爆、突水、滑坡等強烈的動力學(xué)災(zāi)害[1]。而以上動力學(xué)災(zāi)害的實質(zhì)是工程擾動引起的應(yīng)力場重新分布，誘發(fā)巖體內(nèi)部微破裂萌生貫通，最終形成巖體變形破壞失穩(wěn)[2-3]。因此，開展微觀破裂時空孕育演化規(guī)律研究是揭示宏觀破壞失穩(wěn)的有效手段。國內(nèi)外許多學(xué)者利用不同的科學(xué)手段探究了微破裂起裂、傳播和貫通的發(fā)展過程，而聲發(fā)射(acoustic emission，AE)作為巖石破壞過程中的一種伴生現(xiàn)象，蘊含著巖石內(nèi)部損傷過程的大量信息[4-7]。WANG[8-9]將聲發(fā)射參數(shù)演化突變特征作為判斷巖石整體破壞失穩(wěn)的前兆信息；裴建良等[10]通過定義AE大事件來分析含不同裂隙類型的巖石自然裂隙動態(tài)演化規(guī)律；鄧緒彪等[11]通過定義AE平臺、AE階梯、主頻帶、貫頻、加密集聚等特征，來整體呈現(xiàn)聲發(fā)射演化規(guī)律。聲發(fā)射作為破裂源的伴生波，其波形特征勢必能反映出受力狀態(tài)、破裂強度及破裂尺度，日本學(xué)者OHTSU等[12]通過將波形參數(shù)進行組合處理來研究波形參數(shù)與巖石微觀破裂類型之間的響應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)巖石微破裂類型和RA-AF兩參數(shù)之間存在較好的關(guān)聯(lián)性，此成果已被列入日本混凝土協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)[13]。

本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，開展單軸壓縮砂巖聲發(fā)射試驗，利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)和高速攝像技術(shù)實時記錄砂巖變形失穩(wěn)過程，結(jié)合波形信息與巖石破裂之間的響應(yīng)關(guān)系，分析砂巖變形各階段聲發(fā)射參數(shù)變化特征，探究失穩(wěn)前兆信息。

1 試驗過程

1.1 試樣制備

試驗所用砂巖試樣均取自山西呂梁某礦8號煤層底板巖層，因本次試驗嘗試應(yīng)用室內(nèi)矩張量反演理論，為滿足反演尺寸要求將獲取的樣品加工成尺寸為直徑70 mm和高度140 mm的圓柱體試件。為提高試驗結(jié)果的精確度和穩(wěn)定性，每個試件兩端面不平行度小于0.02 mm，7塊試件的實際尺寸和力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖樣尺寸及力學(xué)參數(shù)Table 1 Sample size and mechanical parameters

同時，利用JSM-7001F場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測砂巖樣品表面形貌特征對微觀斷面形貌和微結(jié)構(gòu)進行觀察。由圖1可知，砂巖微觀斷裂面不平整，存在微觀碎屑和少量原生孔洞及微裂隙。微裂隙和溶洞尺度在幾微米到上百微米之間，裂隙寬度不一，互相不貫通，在外部載荷的作用下極易形成細(xì)觀結(jié)構(gòu)斷裂面。

圖1 1 000倍下砂巖礦相分布圖Fig.1 Mineralogical distribution of the sampleby magnifying 1 000 times

1.2 試驗設(shè)備

試驗所用加載設(shè)備為2 000 kN巖石三軸剛性壓力試驗機，AE采集設(shè)備為PAC生產(chǎn)的PCI-II型聲發(fā)射信號采集分析系統(tǒng)；同時，為實時準(zhǔn)確記錄巖石變形失穩(wěn)的過程，試驗采用千眼狼2F04M高速攝像儀拍攝記錄。試驗監(jiān)測系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 試驗監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Monitoring system

1.3 試驗方法

本試驗設(shè)置五個Nano.30聲發(fā)射傳感器用于常規(guī)AE模式下數(shù)據(jù)采集，布置方案如圖3所示。傳感器與巖樣表面之間涂抹適量耦合劑以保證接觸充分，并用橡皮泥進行固定。將系統(tǒng)門檻值設(shè)定為45 dB，以減弱環(huán)境噪聲影響，采樣頻率為1 MHz，前置放大器增益設(shè)為40 dB，PDT、HDT和HLT分別設(shè)置為50、150和200。試驗開始前，先進行斷鉛試驗，確保各通道信號采集良好。

圖3 AE傳感器布置圖Fig.3 AE sensors arrangement

試驗采用單軸軸向位移控制加載，加載速率為0.1 mm/min，以確保獲得較為完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線。整個試驗過程，AE信號采集與加載過程實時同步進行。高速攝像儀采樣周期設(shè)置為400 μs，采集長度為45 000幀，保存觸發(fā)前長度為30 000幀。當(dāng)試樣出現(xiàn)明顯的宏觀破裂時，手動觸發(fā)數(shù)據(jù)保存以捕獲完整的破裂過程。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 巖石變形破壞聲發(fā)射撞擊參數(shù)演化特征

如圖4所示，一個AE波形包含幅值、持續(xù)時間、振鈴計數(shù)等多個參數(shù)。聲發(fā)射波形與巖石應(yīng)力演化狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分組成等全部信息存在相關(guān)性，比如波形信號包絡(luò)線與門檻電壓圍成圖形的面積值被定義為AE能量，能反映破裂的強度。目前，聲發(fā)射參數(shù)分析主要基于兩種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：AE撞擊和AE事件。當(dāng)一個聲發(fā)射波形信號強度超過門檻值并成功被監(jiān)測設(shè)備某一采集通道記錄到，此波形信號就被當(dāng)作一次AE撞擊[12]。而一個聲發(fā)射源的出現(xiàn)會在巖石介質(zhì)中產(chǎn)生呈球面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ斐梢粋€AE信號就會以撞擊的形式被一個或多個采集通道監(jiān)測并記錄到；當(dāng)同一聲發(fā)射信號被至少四個通道監(jiān)測到并能定位聲發(fā)射震源位置，則將這個AE信號當(dāng)成事件，所以AE事件能呈現(xiàn)內(nèi)部損傷時空演化過程。

圖4 聲發(fā)射信號波形參數(shù)Fig.4 AE wave parameters

聲發(fā)射作為巖石破壞過程的伴生現(xiàn)象，其演化特征在一定程度上能反映巖石破壞的實時狀態(tài)。由于篇幅原因，僅以試樣S4為例來說明砂巖破壞特征。如圖5所示，結(jié)合砂巖掃描電鏡圖和力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，分析認(rèn)為砂巖原始微觀缺陷存在相對較少，尺度較小，造成在加載前期原生微缺陷微孔洞閉合、張開等應(yīng)力活動相對較弱，巖石原始缺陷壓密階段內(nèi)撞擊參數(shù)累積較低，絕大部分處于60 dB以下。在彈性變形階段，聲發(fā)射活動極少，撞擊累積和能量累積處于近水平狀態(tài)。在550 s左右，試樣發(fā)生塑性變形，撞擊幅值絕大部分處于60 dB以下，撞擊累積數(shù)和能量累積呈線性增長。試樣在820 s左右進入屈服變形階段，聲發(fā)射幅值也大幅增強，大于80 dB的幅值開始大量出現(xiàn)，相比其他幾個階段，強度明顯增大，撞擊累積數(shù)和能量累積也急劇增長，出現(xiàn)突變拐點，巖石局部表面也集中出現(xiàn)細(xì)小的宏觀裂紋。在950 s左右試樣達到峰值強度，試樣出現(xiàn)宏觀破壞，聲發(fā)射活動極為活躍。雖然其他試樣撞擊累積數(shù)和能量累積出現(xiàn)的突變拐點并不同步，但緊密發(fā)生在試樣屈服強度左右，且屈服變形階段內(nèi)各參數(shù)值均大幅提升。

圖5 試樣S4撞擊部分特征參數(shù)Fig.5 Characteristic parameters of impact part of sample S4

2.2 巖石微破裂強度時空演化特征

AE幅值和AE能量均能在一定程度上反映巖石微損傷的強度，由圖6可知，AE幅值和能量間存在類冪率函數(shù)的特征關(guān)系。為便于表征不同階段破裂強度的演化過程，參考里氏震級計算方法，將聲發(fā)射震級取為：Ms=lgA。式中：A為聲發(fā)射事件的幅值，單位dB；同理，將聲發(fā)射能級取為：Es=lgE。E為聲發(fā)射的能量，單位aJ。計算結(jié)果表明：震級與能級之間存在近似線性關(guān)系，擬合度接近0.96。因此，可以采用高震級高能級聲發(fā)射事件表征高破裂強度的微裂紋(圖7)。

圖6 試樣S4聲發(fā)射幅值與能量的關(guān)系Fig.6 Relationship of amplitude and energy ofsample S4 AE

圖7 試樣S4聲發(fā)射事件震級與能級關(guān)系Fig.7 Relationship of magnitude and energy level ofsample S4 AE event

圖8為各變形階段內(nèi)經(jīng)過濾波降噪后的聲發(fā)射事件空間分布特征。圖8中各個散點球代表一個聲發(fā)射定位事件，球的直徑大小與聲發(fā)射事件的震級大小相對應(yīng)，球的顏色表示事件的能級。在巖石原始壓密和彈性變形階段，聲發(fā)射事件能級和震級均偏低，事件量較少，主要分布在試樣下部。進入塑性變形階段后，事件開始散落分布在整個試樣內(nèi)，巖石內(nèi)部裂紋起裂并穩(wěn)定擴展，聲發(fā)射活動穩(wěn)定，并未出現(xiàn)高能級和高震級的聲發(fā)射事件。屈服階段內(nèi)，事件量明顯增多，高能級高震級事件集中分布在試樣中上部，并逐漸集結(jié)成核，裂紋數(shù)量和強度迅速增加，超過臨界狀態(tài)，能量釋放并產(chǎn)生宏觀裂紋。峰值強度過后，巖石抵抗外界應(yīng)力能力較差；高能級高震級事件主要集中在試樣中下部，宏觀次裂紋向下貫通成為宏觀主裂紋。如圖8(e)所示，表面開裂集中區(qū)對應(yīng)性較好，高能級高震級事件集中分布區(qū)內(nèi)局部變形較大。因此，巖石內(nèi)部高能級高震級事件的集中出現(xiàn)表征著巖石破裂強度增大和局部損傷劣化加劇。

圖8 試樣S4聲發(fā)射事件時空演化過程Fig.8 Evolution process of sample S4 AE event

通過高速攝像記錄可知，進入屈服階段后，巖石表面穩(wěn)定出現(xiàn)小尺度宏觀裂紋，緩慢釋放了巖石貯存的部分變形能，調(diào)節(jié)了應(yīng)力平衡狀態(tài)。達到峰值強度后，巖石表面的宏觀裂紋逐漸貫通。巖石表面首先開裂區(qū)與高能級高震級事件集中出現(xiàn)區(qū)域位置基本對應(yīng)(圖9)。

圖9 試樣S4表面裂紋開裂形式Fig.9 Crack form of surface crack of sample S4

2.3 巖石微破裂類型時序分布特征

依據(jù)OHTSU等[12]的研究成果和相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)，將聲發(fā)射波形參數(shù)值與微觀破裂的特征相互關(guān)聯(lián)，RA為上升時間與振幅的比值，AF(平均頻率)為振鈴計數(shù)與持續(xù)時間的比值，利用此評價標(biāo)準(zhǔn)計算各試樣AF和RA。依據(jù)各試樣的RA-AF分布情況，取AF與RA比值為8的射線作為破裂類型分界線進行統(tǒng)計分析，具體結(jié)果如圖10所示。試樣進入塑性變形階段，其他類型破裂發(fā)生數(shù)量較少，絕大多數(shù)破裂能級都低于4；當(dāng)進入屈服變形階段，其他破裂類型開始逐漸增多，但是絕大多數(shù)的其他破裂類型能級都低于4，大于能級4的事件基本都是張拉破裂類型；達到峰值強度時，其他破裂類型數(shù)量達到最大值。但通過整體來看，張拉破裂的能級總是高于其他破裂能級。其余的試樣進入屈服變形階段也存在同樣的變化特征，因而此現(xiàn)象可以作為巖石破壞失穩(wěn)的前兆信息(圖11)。

圖10 試樣S4微破裂類型分布Fig.10 Distribution of sample S4 microfracture type

圖11 試樣S4微破裂時序演化特征Fig.11 Evolution characteristics of sample S4 microfracture

3 結(jié) 論

1) 試樣達到屈服強度時，高幅值聲發(fā)射活動開始出現(xiàn)，撞擊累積和能量累積在時序上出現(xiàn)突變拐點，呈指數(shù)上升趨勢。

2) 聲發(fā)射震級與能級之間存在的近似線性關(guān)系，峰值強度過后，高能級高震級事件主要集中在試樣中下部，與高速攝像記錄的表面開裂集中區(qū)對應(yīng)性較好，巖石內(nèi)部高能級高震級事件的集中出現(xiàn)表征著巖石破裂強度增大和局部損傷劣化加劇。

3) 當(dāng)進入屈服變形階段，其他破裂類型開始逐漸增多，但大于能級4的事件基本都是張拉破裂類型；上述各特征現(xiàn)象均可以作為巖石破壞失穩(wěn)前兆信息。