張澤坤 ，宋戰(zhàn)平 ,2，程 昀 ，霍潤(rùn)科 ,2，宋婉雪 ，王奎勝 ，王 彤 ,2，楊騰添 ，劉 偉

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055；3.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

巖石受力破壞是內(nèi)部裂隙萌生、擴(kuò)展和斷裂的連續(xù)演變過(guò)程[1]，而破裂聲發(fā)射信號(hào)蘊(yùn)含著巖石承載能力失效的重要信息[2]，如受巖體爆破、機(jī)械挖掘等力學(xué)效應(yīng)影響[3-4]，導(dǎo)致加載擾動(dòng)對(duì)巖石力學(xué)損傷具有顯著影響[5]。因此，通過(guò)研究巖石聲發(fā)射可以探究損傷特性進(jìn)而揭示破壞前兆信息。

加載速率效應(yīng)是指材料力學(xué)特征隨加載速率變化而改變的力學(xué)行為。S.H.Cho 等[6]研究表明，加載速率下凝灰?guī)r的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而增加；薛東杰等[7]揭示了加載速率下煤巖的破壞特性；陳軍濤等[8]研究了加載速率對(duì)預(yù)制裂隙試樣破裂特性的影響；于利強(qiáng)等[9]研究了砂巖裂紋擴(kuò)展及變形破壞特征的加速率效應(yīng)。另外，Ma Yankun 等[10]研究了煤巖力學(xué)性質(zhì)與聲發(fā)射參量間的統(tǒng)計(jì)特征；宋戰(zhàn)平等[11]進(jìn)行了單軸壓縮–拉伸–劈裂條件下石灰?guī)r的聲發(fā)射研究；楊文君等[12]、張黎明等[13]研究了變加載速率下砂巖、大理巖的聲發(fā)射特征及聲發(fā)射b值變化規(guī)律；甘一雄[14]、葛振龍[15]等研究了花崗巖和砂巖內(nèi)部裂紋的發(fā)展以及聲發(fā)射參數(shù)RA 及AF 的變化特征。以上研究在加載速率效應(yīng)下沉積軟巖破裂過(guò)程中聲發(fā)射特征方面取得眾多有益成果。隨著地下空間工程的不斷深入發(fā)展，眾多巖體工程中也頻頻出現(xiàn)硬質(zhì)沉積巖體的力學(xué)工程問(wèn)題，如力學(xué)擾動(dòng)及巖體結(jié)構(gòu)調(diào)整誘使內(nèi)部應(yīng)力重新分配的同時(shí)導(dǎo)致硬質(zhì)沉積巖強(qiáng)度劣化或失穩(wěn)破壞。由于硬質(zhì)沉積巖相對(duì)于軟巖的脆性破裂特征更為顯著，加載效應(yīng)下的破裂響應(yīng)特征與聲學(xué)災(zāi)害預(yù)警信息更加復(fù)雜。因此，硬質(zhì)沉積巖變形及破裂響應(yīng)特征仍需進(jìn)一步關(guān)注。

筆者對(duì)類(lèi)硬巖試樣進(jìn)行不同加載速率下的單軸壓縮–聲發(fā)射測(cè)試，分析類(lèi)硬巖試樣力學(xué)參數(shù)與加載速率的相關(guān)性，基于聲發(fā)射參數(shù)(振鈴計(jì)數(shù)、能量及b值)的演化特征獲得失穩(wěn)破壞前兆信息，以期對(duì)加載速率效應(yīng)下硬質(zhì)巖體破裂特性及失穩(wěn)響應(yīng)預(yù)警研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 巖樣制備

參照既有類(lèi)巖樣材料的制備經(jīng)驗(yàn)[8,16-17]，以高強(qiáng)水泥(P·O 42.5)、細(xì)粒石英砂(100 μm)、高純度鐵礦粉(Fe3O4)及工程速凝劑為相似材料，相似配比參照中科院武漢力學(xué)研究所的試驗(yàn)配比[18](4∶1∶0.35∶0.16)制備了滿足試驗(yàn)致密性標(biāo)準(zhǔn)的類(lèi)硬巖試樣。初期澆筑尺寸為300 mm×400 mm×100 mm，通過(guò)小頻率震動(dòng)獲得密實(shí)性良好、強(qiáng)度離散性低的試驗(yàn)材料；潮濕狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)120 h 后進(jìn)行鉆心、打磨獲得標(biāo)準(zhǔn)巖樣(?50 mm×100 mm)，其斷面不平行度和不垂直度小于0.02 mm。標(biāo)準(zhǔn)巖樣在潮濕環(huán)境養(yǎng)護(hù)23 d 后，對(duì)其稱(chēng)重、測(cè)試縱波波速以剔除殘損、差異性較大的巖樣，最終共挑選8 塊巖樣用于試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)巖樣如圖1 所示；巖樣基本性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)室類(lèi)硬巖巖樣Fig.1 Hard-rock-like samples in the laboratory

表1 類(lèi)硬巖基本性質(zhì)參數(shù)Table 1 Basic properties parameters of hard-rock-like samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

單軸力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備為微機(jī)控制電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，最大加載強(qiáng)度為600 kN，擾動(dòng)頻率為0～3 Hz。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備為SAEU2S-1061-4 型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，采集門(mén)檻值為40 dB，采樣間隔和頻率為400 μs和1 000 kHz。自然巖體及工程爆破開(kāi)挖后巖體應(yīng)力基本處于靜力學(xué)范疇[19]，參考文獻(xiàn)[20]，應(yīng)力加載速率考慮了0.10、0.15、0.20 和0.25 kN/s 這4 種工況。試驗(yàn)預(yù)加載應(yīng)力為0.20 kN，最大加載應(yīng)力為200 kN 以使巖樣破裂，每組加載速率設(shè)置2 個(gè)平行試驗(yàn)，共有4 組(表1)。應(yīng)力–應(yīng)變及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行，以便獲取應(yīng)力–時(shí)間–聲發(fā)射參數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力?應(yīng)變曲線特征

圖2 為不同加載速率下典型類(lèi)硬巖的軸向應(yīng)力–應(yīng)變曲線。以0.20 kN/s 試驗(yàn)條件為例分析，不同加載速率下巖樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線經(jīng)歷了壓密階段(0a段)、彈性變形階段(ab段)、塑性變形階段(bc段)和破壞階段(cd段)4 個(gè)典型階段。預(yù)制硬巖與硬質(zhì)巖體[21]的力學(xué)特征相似，具有典型脆性破壞特性。

圖2 不同加載速率下軸向應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.2 Axial stress-strain curves at different loading rates

應(yīng)力加載初期，應(yīng)力–應(yīng)變曲線(0a段)呈上凹趨勢(shì)，內(nèi)部裂隙被壓縮密實(shí)提高了巖樣剛度。澆筑材料包裹石英砂形成不同強(qiáng)度的膠結(jié)體導(dǎo)致巖樣出現(xiàn)應(yīng)力集中，引起巖樣的前期微破裂，裂縫主要衍生于強(qiáng)度較弱的過(guò)渡區(qū)域?qū)е聭?yīng)力降出現(xiàn)。高應(yīng)力增量使裂隙壓密更加充實(shí)，壓密階段應(yīng)變隨加載速率呈增大趨勢(shì)。隨應(yīng)力加載，內(nèi)部裂隙基本被壓縮密實(shí)導(dǎo)致彈性變形階段的應(yīng)力–應(yīng)變曲線(ab段)近似線性增長(zhǎng)。隨應(yīng)力水平提高，內(nèi)部應(yīng)力集中更加突出且伴隨微裂隙出現(xiàn)，應(yīng)力–應(yīng)變曲線呈局部下跌。加載速率越大，彈性變形越明顯，這是由于加載速率越大時(shí)巖樣沒(méi)有充分時(shí)間發(fā)生變形，巖樣剛度被強(qiáng)化從而提高承載強(qiáng)度。應(yīng)力增大誘使新生裂隙萌生和原生裂隙擴(kuò)展，損傷不斷積累，應(yīng)力?應(yīng)變曲線(bc段)出現(xiàn)增幅減緩并逐漸趨于峰值。加載速率增大，到達(dá)峰值強(qiáng)度前應(yīng)力?應(yīng)變曲線的波動(dòng)變緩。這是由于較低加載速率下巖樣臨近破壞前有充分時(shí)間進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，伴隨頻繁的能量積累和釋放，內(nèi)部裂隙發(fā)育充分。應(yīng)力持續(xù)增大，內(nèi)部應(yīng)變能逐漸累積導(dǎo)致裂隙快速擴(kuò)展、貫通并伴有爆裂聲，部分巖樣表面因小巖塊彈射而形成缺失區(qū)。隨應(yīng)力持續(xù)加載，巖樣承載能力接近峰值強(qiáng)度誘使裂隙快速交匯形成宏觀裂紋。承載能力達(dá)到峰值后應(yīng)力–應(yīng)變曲線(cd段)進(jìn)入峰后階段且呈快速跌落狀。相比較低加載速率(0.10～0.15 kN/s)，較高加載速率下(0.20～0.25 kN/s)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線呈陡峭跌落狀，未出現(xiàn)局部震動(dòng)跌落。

2.2 力學(xué)參數(shù)特征

圖3 為力學(xué)參數(shù)與加載速率間的關(guān)系，峰值強(qiáng)度、彈性模量及峰值應(yīng)變與加載速率呈指數(shù)關(guān)系。由圖3可知，加載速率由0.10 kN/s 提高到0.15 kN/s 時(shí)，峰值強(qiáng)度增幅為24.42%；由0.15 kN/s 提高到0.20 kN/s 時(shí)，峰值強(qiáng)度增幅為8.97%，略有減緩；由0.20 kN/s 提高到0.25 kN/s 時(shí)，峰值強(qiáng)度增幅進(jìn)一步減緩，僅為5.30%?？梢钥闯觯逯祻?qiáng)度具有加速率效應(yīng)，增幅逐級(jí)減緩表明巖樣對(duì)應(yīng)力增量具有一定適應(yīng)過(guò)程；當(dāng)超過(guò)某一臨界加載速率后，峰值強(qiáng)度將趨于穩(wěn)定或降低[22]，這與文獻(xiàn)[23]所得結(jié)論相吻合。

圖3 不同加載速率下力學(xué)參數(shù)特性Fig.3 Mechanical parameter properties at different loading rates

由圖3 可知，加載速率為0.10～0.15 kN/s 時(shí)，彈性模量為5.83～6.08 GPa，增幅為4.29%；0.15～0.25 kN/s時(shí)彈性模量增幅分別為1.32%、2.27%，這與峰值強(qiáng)度的變化特征一致。除加載速率0.15 kN/s 下的峰值應(yīng)變出現(xiàn)異常(其值依然小于0.20 kN/s)，其他峰值應(yīng)變隨加載速率近似呈指數(shù)增長(zhǎng)。加載速率為0.10～0.15 kN/s 時(shí)，峰值應(yīng)變?cè)龇畲?71.45%)；加載速率為0.15～0.20 kN/s 時(shí)，峰值應(yīng)變的變化幅度微小；加載速率為0.20～0.25 kN/s 時(shí)，峰值應(yīng)變的增幅為16.67%，較第1 階段(71.45%)的增幅小，這與唐建新等[24]研究具有一致性。

3 聲發(fā)射特征分析

圖4 為應(yīng)力–AE 幅度–時(shí)間分布特征，可以看出，隨加載速率增大，AE 幅度與應(yīng)力–應(yīng)變的演化趨勢(shì)具有一致性。較低加載速率下，壓密階段孔隙度較小，導(dǎo)致聲發(fā)射不顯著，AE 幅度呈稀疏分布。彈性變形階段，內(nèi)部應(yīng)力集中引起裂隙萌生導(dǎo)致局部聲發(fā)射，AE 幅度分布密度略有增大；隨著應(yīng)變能累積，峰值附近裂紋擴(kuò)展頻繁，聲發(fā)射活動(dòng)增強(qiáng)。中等加載速率和較高加載速率下，壓密階段的聲發(fā)射明顯提高，AE 幅度及分布密度增大；彈性及塑性變形階段的AE 幅度為高水平高密度分布，表明較高加載速率下裂隙擴(kuò)展程度提高。較低加載速率下AE 幅度呈帶狀分布，隨加載速率增加，帶狀分布特征減弱。分析認(rèn)為，較小加載速率下微裂隙擴(kuò)展微弱，裂紋擴(kuò)展誘發(fā)局部聲發(fā)射，階段性的裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)呈帶狀分布；較高加載速率下裂紋擴(kuò)展頻繁，聲發(fā)射活躍因而呈現(xiàn)高水平、高密度分布。

圖4 應(yīng)力?AE 幅度?時(shí)間分布特征Fig.4 Distribution characteristics of stress-AE amplitude-time

圖5 為應(yīng)力–AE 振鈴計(jì)數(shù)–時(shí)間分布特征。可以看出，較低加載速率下(0.10 kN/s)，加載初期聲發(fā)射微弱，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)增長(zhǎng)不顯著，其平穩(wěn)增長(zhǎng)階段持續(xù)近270 s。隨軸向應(yīng)力加載，內(nèi)部局部裂隙擴(kuò)展引起的應(yīng)力降導(dǎo)致AE 活動(dòng)增強(qiáng)；此時(shí)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線出現(xiàn)第1 次階段式上升但增幅不顯著，振鈴計(jì)數(shù)累計(jì)值小于2.0×104次。塑性變形階段的裂隙擴(kuò)展迅速，AE活動(dòng)增強(qiáng)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)緩慢增長(zhǎng)330 s 后突然劇增。此時(shí)，巖樣臨近破裂，內(nèi)部伴隨裂隙的快速貫穿，AE 活動(dòng)劇烈，最終振鈴計(jì)數(shù)累計(jì)值為2.30×105次。較大加載速率下(0.20 kN/s)壓密階段的AE 活動(dòng)相對(duì)增強(qiáng)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)平穩(wěn)增長(zhǎng)持續(xù)近100 s 后出現(xiàn)第1 次階段上升，增幅約為5.0×104次；彈性及塑性變形階段的聲發(fā)射顯著提高，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在360 s 時(shí)出現(xiàn)連續(xù)增長(zhǎng)，484 s 時(shí)明顯加快，最終累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)為4.70×105次。當(dāng)加載速率增大到0.25 kN/s 時(shí)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的增長(zhǎng)速率進(jìn)一步加快，增長(zhǎng)臺(tái)階數(shù)增多并在446 s 時(shí)突增，最終累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)達(dá)9.0×105次。由此表明，相對(duì)較大的加載速率誘使大量裂紋交織并提前貫通，AE 活動(dòng)增強(qiáng)，較快進(jìn)入活躍期且持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。

圖5 應(yīng)力?AE 振鈴計(jì)數(shù)?時(shí)間分布特征Fig.5 Distribution characteristics of stress-AE ringing counts-time

圖6 為應(yīng)力–AE 能量–時(shí)間分布特征，可以看出，AE 能量與AE 幅度、AE 振鈴計(jì)數(shù)的變化規(guī)律相似，表明聲發(fā)射特征參數(shù)間有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。根據(jù)地震波能量分析，AE 能量釋放特征存在主震型、群震型和孤震型。較低加載速率下，巖樣裂隙的衍生擴(kuò)展緩慢，AE活動(dòng)微弱，AE 能量整體表現(xiàn)為孤震型。壓密和彈性變形階段的累計(jì)能量呈階梯狀發(fā)展，能量波動(dòng)主要發(fā)生在應(yīng)力降和失穩(wěn)破壞前后，峰值時(shí)達(dá)到最大，最終累計(jì)能量為1.98×10?6J。中等加載速率下(0.20 kN/s)，裂紋擴(kuò)展速率加快，AE 活動(dòng)增強(qiáng)，臨近破壞前的AE 能量幅值密度增大，累計(jì)能量達(dá)到3.12×10?6J，較低加載速率下的累計(jì)能量增長(zhǎng)57.58%。較高加載速率下(0.25 kN/s)，AE 能量幅值和密度明顯增大且呈群震型特征，累計(jì)能量增幅與累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的演化趨勢(shì)相似，最大AE 累計(jì)能量為5.48×10?6J，相比0.20 kN/s條件下增長(zhǎng)75.64%。分析表明，加載速率越大，微裂隙在發(fā)育擴(kuò)展過(guò)程釋放的平均能量越高，損傷程度更大，這與巖樣在高加載速率下破壞時(shí)發(fā)出的清脆爆裂現(xiàn)象一致。

圖6 應(yīng)力?AE 能量?時(shí)間分布特征Fig.6 Distribution characteristics of stress-AE energy-time

4 破裂響應(yīng)特征分析

4.1 宏觀破裂形態(tài)

圖7 為巖樣典型宏觀破裂形態(tài)，按照起裂階段(第1 張)、破壞階段(第2 和第3 張)排列，加載速率對(duì)類(lèi)硬巖宏觀破裂具有明顯影響。

圖7 巖樣的宏觀破裂形態(tài)Fig.7 Macro fracture morphology of rock samples

較低加載速率時(shí)(0.10 kN/s)，巖樣起始有少量縱向裂隙，巖樣破壞比較平穩(wěn)且整體比較完整，掉落碎塊較少；由于加載速率較低，巖樣內(nèi)部微裂隙有充足時(shí)間進(jìn)行剪切滑移和擴(kuò)展，最終呈現(xiàn)斜剪破裂。中等加載速率時(shí)(0.15～0.20 kN/s)，初始裂隙數(shù)目增多，裂紋尖端開(kāi)始出現(xiàn)彈射破壞和巖片斷裂，主裂隙衍生出更多次生裂隙，逐漸貫通形成宏觀裂隙，表面巖塊出現(xiàn)彈射現(xiàn)象；加載速率增加，部分裂紋發(fā)育不充分，在剪切滑移同時(shí)沿著張拉裂隙擴(kuò)展，出現(xiàn)斜剪?拉伸復(fù)合破壞特征，破壞后端部呈錐形壓碎形態(tài)。較高加載速率時(shí)(0.25 kN/s)，初始裂紋變密變寬，裂隙由端部衍生并逐漸向中部擴(kuò)展，貫通裂紋數(shù)目增多；由于較高加載速率下應(yīng)變能累積速率增大，局部破壞瞬間發(fā)出爆裂聲；破壞端部呈明顯粉碎狀，表面片狀或條狀巖塊崩落顯著，主控裂紋呈現(xiàn)典型劈裂破壞，局部伴有剪切裂紋。

4.2 聲發(fā)射特征參數(shù)

聲發(fā)射b值為表征破裂震級(jí)–頻度關(guān)系的參數(shù)[14,25]。b值增大，小事件數(shù)量增加，小尺度破裂增多；b值減小，大事件數(shù)量增多，大尺度破裂增加。

式中：N為大于震級(jí)M的聲發(fā)射次數(shù)；a、b為常數(shù)；震級(jí)M=A/20[26]；A為AE 幅值。

聲發(fā)射RA 和AF 值可反映巖樣破裂類(lèi)別[27]，RA值較大、AF 值較小表明以剪切破裂為主；AF 值較大、RA 值較小表明以拉伸破裂為主。

式中：tR為聲發(fā)射信號(hào)上升時(shí)間，s；A為對(duì)應(yīng)聲發(fā)射幅度，dB；AEc為聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)，次；tD為持續(xù)時(shí)間，s。

圖8 為巖樣應(yīng)力–b值–時(shí)間分布特征。可以看出，不同加載速率下b值隨時(shí)間增加呈波動(dòng)變化，大致分為上升期、波動(dòng)期和下降期，反映了裂隙的萌生擴(kuò)展及貫通過(guò)程。隨加載速率增大，壓密階段的b值上升期逐漸變短，初始b值降低，表明受壓初期以小尺度裂紋萌生為主，較大應(yīng)力誘使小尺度裂隙擴(kuò)展為大尺度裂隙；彈性變形階段，b值上下波動(dòng)明顯并開(kāi)始減小，反映了內(nèi)部大小尺度裂隙的擴(kuò)展、貫通頻繁；塑性變形階段，隨加載應(yīng)力增大，大量微裂隙聚集貫通形成大尺度破裂面，釋放大量應(yīng)變能，b值進(jìn)入下降期；巖樣達(dá)到峰值強(qiáng)度即將失穩(wěn)破壞時(shí)，b值最小值與加載速率呈負(fù)相關(guān)，由0.54 降到0.53 再到0.51 直到0.49，反映了巖樣失穩(wěn)破壞時(shí)破裂尺度的增加，這與巖樣宏觀破裂形態(tài)的裂隙演化特征具有一致性。

圖8 應(yīng)力–b 值–時(shí)間分布特征Fig.8 Distribution characteristics of stress-b value-time

圖9 為巖樣應(yīng)力–RA–AF–時(shí)間分布特征?？梢钥闯?，RA-AF 值的變化規(guī)律與宏觀破裂具有一致性。壓密階段，AF 值與加載速率呈正相關(guān)，裂隙擴(kuò)展主要受張拉作用影響；彈性變形初期，應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)力降出現(xiàn)，RA 值與加載速率呈負(fù)相關(guān)，AF 值與加載速率呈正相關(guān)，巖樣由剪切破裂向拉伸破裂轉(zhuǎn)變；彈性變形發(fā)展階段，AF-RA 值均增大，微裂隙快速擴(kuò)展，宏觀主裂隙逐漸貫通，巖樣由單一裂隙向張拉–剪切的復(fù)合模式轉(zhuǎn)變；塑性變形–破壞階段，隨加載速率增大，RA 值相對(duì)減小，AF 值相對(duì)增大，最終破裂模式由剪切破壞向張拉破裂轉(zhuǎn)變。以上分析可知，隨加載速率增大，裂隙擴(kuò)展激烈，破壞后大尺度裂隙增多變寬；裂隙從小尺度微裂隙向大尺度宏觀破裂演化，局部破裂向全局失穩(wěn)轉(zhuǎn)變，破裂模式由剪切破壞到復(fù)合破壞轉(zhuǎn)化。

圖9 應(yīng)力?RA?AF?時(shí)間分布特征Fig.9 Distribution characteristics of stress-RA value-AF value-time

4.3 失穩(wěn)破壞前兆分析

以上分析可見(jiàn)，聲發(fā)射特征參數(shù)較好反映不同加載速率下類(lèi)硬巖的破裂演化特征，臨近破壞前聲發(fā)射參數(shù)存在明顯響應(yīng)規(guī)律。因此，聲發(fā)射活動(dòng)突變預(yù)示著巖樣失穩(wěn)破裂[25]，可將聲發(fā)射特征參數(shù)的明顯突變點(diǎn)作為“臨界破壞前兆點(diǎn)”，表示為D點(diǎn)。巖樣臨近破壞前，AE 累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)能量曲線的增長(zhǎng)速率變化明顯，可將曲線斜率突增點(diǎn)作為D點(diǎn)；聲發(fā)射b值的大幅度突然躍遷表示裂紋尺度狀態(tài)的突然變化，預(yù)示著一種突發(fā)式的失穩(wěn)破壞[25]，但巖樣在加載破壞全過(guò)程中b值上下波動(dòng)復(fù)雜，臨近失穩(wěn)破壞前b值有多次大幅度突降，單獨(dú)依靠突降點(diǎn)來(lái)確定D會(huì)降低信息可靠度。

按照以下原則選取b值的臨界破壞前兆點(diǎn)：①D值要大于巖樣在失穩(wěn)破壞前b值的最小值；②D值要大于巖樣在失穩(wěn)破壞時(shí)的最小值，且數(shù)值不宜與最小值接近[28]。參考不同加載速率下類(lèi)硬巖聲發(fā)射b值躍遷特征及上述選取原則，本試驗(yàn)的b值可確定為0.68(圖8)；由于AE 幅度和RA-AF 值的變化特征無(wú)法定量評(píng)價(jià)具體臨界破壞前兆點(diǎn)，因此，可將其作為巖樣臨界破壞的輔助判斷依據(jù)。不同聲發(fā)射參數(shù)D點(diǎn)距離巖樣失穩(wěn)破壞的時(shí)間(tb) 及應(yīng)力水平(γ=σb/σc)，σb/σc為臨界破壞前兆點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值，見(jiàn)表2。

由表2 可知，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的D點(diǎn)距離巖樣失穩(wěn)破壞的平均時(shí)間最長(zhǎng)，其預(yù)警時(shí)效性最好，累計(jì)能量和b值的預(yù)警時(shí)效次之，平均時(shí)間分別為29.8、29.3 s。因此，聲發(fā)射前兆信息預(yù)警時(shí)序由大到小為：累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)能量、b值。此外，低加載速率下(0.10 kN/s)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)能量的D點(diǎn)距離巖樣失穩(wěn)破壞的時(shí)間較高加載速率(0.25 kN/s)長(zhǎng)，而b值的時(shí)間較高加載速率短。因而，當(dāng)深部礦區(qū)采掘速率較低時(shí)，建議利用累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)能量進(jìn)行失穩(wěn)預(yù)警，當(dāng)采掘速率較高時(shí)，可借助聲發(fā)射b值來(lái)提高監(jiān)測(cè)預(yù)警的時(shí)效性。綜上所述，類(lèi)硬巖聲發(fā)射參數(shù)“臨界破壞前兆點(diǎn)”的平均時(shí)間和應(yīng)力水平均分別大于29 s 和93%，表明聲發(fā)射參數(shù)作為巖石失穩(wěn)破壞前兆信息判據(jù)具有時(shí)效性。由于地下空間工程中硬巖體結(jié)構(gòu)具有多變性，單獨(dú)依靠聲發(fā)射特征進(jìn)行失穩(wěn)預(yù)警會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)報(bào)漏報(bào)，故結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖體聲發(fā)射和微震監(jiān)測(cè)信息分析特征參數(shù)的時(shí)空演化規(guī)律以提高監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性。

表2 聲發(fā)射臨界破壞前兆點(diǎn)Table 2 Critical failure precursors of Acoustic Emission

5 結(jié)論

a.巖樣峰值強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變具有階段性的加速率效應(yīng)。隨加載速率增大，力學(xué)參數(shù)總體呈指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)，較低加載速率時(shí)的增長(zhǎng)速率較快，而較高加載速率時(shí)的增長(zhǎng)速率略有減緩。

b.不同加載速率下聲發(fā)射參數(shù)的演化規(guī)律具有一致性，表現(xiàn)出階段性增長(zhǎng)特點(diǎn)，增長(zhǎng)幅度與加載速率呈正相關(guān)。隨著加載速率增大，AE 幅度和幅度密度逐漸增大，AE 振鈴計(jì)數(shù)由低值低頻向高值高頻轉(zhuǎn)變，AE能量釋放特征由孤震型向群震型轉(zhuǎn)變。

c.加載速率對(duì)硬巖破裂模式及破碎形態(tài)具有明顯影響。隨著加載速率增大，巖樣呈剪切破壞?拉伸剪切復(fù)合破壞?拉伸破壞演變，破裂程度增大。隨加載時(shí)間增加，聲發(fā)射b值呈“上升、波動(dòng)和下降”演化過(guò)程，總體呈逐漸減小趨勢(shì)，表征巖樣裂隙的萌生、擴(kuò)展、貫通直到破裂的漸進(jìn)演化特征。類(lèi)硬巖聲發(fā)射b值的“臨界破壞前兆點(diǎn)”為0.68，聲發(fā)射前兆信息的預(yù)警時(shí)序由大到小為：累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)能量、b值。