秦 濤， 任 凱

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022)

0 引 言

巖土工程中，巖石往往處于反復(fù)加卸載荷的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中，例如，地下硐室的開(kāi)挖、回采巷道的掘進(jìn)、邊坡開(kāi)挖等，巖石均經(jīng)歷著交替加卸載荷的過(guò)程。目前，針對(duì)復(fù)雜應(yīng)力下巖石的力學(xué)特性研究很多，葛修潤(rùn)等[1]對(duì)三種不同類巖石開(kāi)展周期循環(huán)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析其疲勞破壞機(jī)理。李杰林等[2]對(duì)風(fēng)化花崗巖進(jìn)行單軸循環(huán)實(shí)驗(yàn)，研究了循環(huán)次數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系。周壘[3]對(duì)大理巖進(jìn)行兩種不同加載方式的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，從介觀角度來(lái)分析大理巖的變形破壞機(jī)理。Guo等[4]研究了巖石在單軸循環(huán)作用下的力學(xué)性質(zhì)和變形機(jī)理，得出隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線形成的滯回環(huán)向應(yīng)變?cè)黾拥姆较蛞苿?dòng)。秦濤等[5]對(duì)砂巖進(jìn)行三軸循環(huán)實(shí)驗(yàn)，表明指數(shù)函數(shù)可以反映耗散能損傷變量情況。劉忠玉等[6]研究循環(huán)加卸載下層理煤巖的變形破壞，分析了變形破壞過(guò)程中的殘余變形和彈性模量。谷中元等[7]開(kāi)展了室內(nèi)花崗巖單向循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，并用紅外監(jiān)測(cè)設(shè)備，揭示了巖石破壞的機(jī)制。

巖體在受到外部載荷作用下，產(chǎn)生損傷、斷裂、失穩(wěn)破壞的同時(shí)以彈性波的形式將巖體儲(chǔ)存的部分應(yīng)變能釋放，這一種自然現(xiàn)象被稱為“聲發(fā)射”[8]。采用聲發(fā)射手段研究巖石的變形破壞受到許多學(xué)者的青睞。來(lái)興平等[9]對(duì)天然互層砂巖開(kāi)展了單軸分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn),分析了自然和飽水狀態(tài)下互層砂巖的聲發(fā)射特性。劉剛等[10]以寶泰隆宏泰煤樣為研究對(duì)象，分析了循環(huán)加卸載下煤樣的力學(xué)特性，并通過(guò)聲發(fā)射得出煤樣的損傷演化規(guī)律。包春燕等[11]分析了石灰?guī)r單軸循環(huán)加卸載作用下聲發(fā)射和波速的變化。付斌等[12]對(duì)大理巖進(jìn)行聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，通過(guò)Felicity比值變化和b值的變化，分析大理巖的破壞特征。劉建坡等[13]采用聲發(fā)射研究了循環(huán)作用下巖石的損傷，并建立損傷與聲發(fā)射的數(shù)量模型。

綜上所述，學(xué)者們對(duì)不同應(yīng)力條件下，煤巖體的強(qiáng)度特性、變形特征開(kāi)展了研究，并借助聲發(fā)射手段分析其損傷演化規(guī)律，取得了一定的研究成果。然而，巖石循環(huán)加卸載過(guò)程中損傷破裂是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，巖石損傷破裂受到其彈性參數(shù)變化、外部載荷等因素影響，巖石受載過(guò)程其自身力學(xué)參數(shù)隨著應(yīng)力條件發(fā)生變化。因此，筆者對(duì)砂巖開(kāi)展卸載階段應(yīng)力值恒定，加載階段應(yīng)力值逐級(jí)增加的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，并使用SH-Ⅱ聲發(fā)射系統(tǒng)采集砂巖變形破壞過(guò)程中的聲學(xué)信息，得到砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量和聲發(fā)射參數(shù)，分析砂巖力學(xué)特性和聲發(fā)射特征，為巖石損傷破裂機(jī)理研究提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 試件的制備

把砂巖加工成尺寸為50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，如圖1所示。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的可靠性，對(duì)制備好的試件用Sonic Viewer-SX超聲波測(cè)試系統(tǒng)和電子天平分別進(jìn)行波速和質(zhì)量評(píng)估，選取P波波速v和質(zhì)量相接近的砂巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)使用TAW-2000試驗(yàn)機(jī)完成加載，采用SH-Ⅱ聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器型號(hào)為Nano30，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖2。開(kāi)展卸載階段應(yīng)力值恒定、加載階段應(yīng)力值逐級(jí)增加的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其中加載速率和卸載速率均為250 N/s。對(duì)5個(gè)試件分別開(kāi)展循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，壓力機(jī)加載路徑如圖3所示。

2 循環(huán)加卸載力學(xué)特性

對(duì)循環(huán)載荷作用下的砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線和彈性模量進(jìn)行分析。由于試件SH-21、SH-28、SH-41、SH-42、SH-49的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征相似，限于篇幅，文中僅對(duì)SH-49試件進(jìn)行分析。

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

砂巖循環(huán)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。當(dāng)循環(huán)加載應(yīng)力值達(dá)到73.66 MPa時(shí)，試件發(fā)生破壞，故未獲得卸載階段曲線。不同循環(huán)階段，砂巖加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈非線性特征。加載階段砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性是因?yàn)樵诩虞d階段初期，砂巖內(nèi)部的原始裂紋裂隙閉合，導(dǎo)致曲線呈非線性增加；加載中期，巖石基質(zhì)部分彈性變形，此時(shí)的曲線近似直線，呈線性增加；加載后期，砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線又呈非線性變化，這是因?yàn)閹r石發(fā)生了塑性破壞，進(jìn)入了塑性變形階段。卸載階段應(yīng)力應(yīng)變曲線具有非線性特征是由于在卸載階段初期，巖石基質(zhì)部分彈性變形恢復(fù)造成應(yīng)力應(yīng)變曲線近似呈線性下降，卸載后期隨著應(yīng)力逐漸卸除，微裂紋裂隙的回彈變形，以致卸載曲線表現(xiàn)出明顯的非線性特征。

由圖4b局部放大的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，曲線均表現(xiàn)為上凹型，且隨加載上限應(yīng)力逐漸增加，上凹度也增大。在經(jīng)歷一次循環(huán)加卸載后，加、卸載曲線沒(méi)有完全重合，而是卸載曲線與下一次的加載曲線形成一個(gè)閉合環(huán)形曲線，這個(gè)閉合環(huán)形曲線叫“滯回環(huán)”。隨著循環(huán)上限應(yīng)力的增加，滯回環(huán)由疏向密變化，并朝著應(yīng)變?cè)黾拥姆较蚝笠啤＿@是因?yàn)樯皫r內(nèi)部出現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性損傷變形，且由于上限應(yīng)力的不斷增加，砂巖所受應(yīng)力越來(lái)越大，其原始裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育，新生裂隙也逐漸增多，表現(xiàn)為塑性變形越來(lái)越大，損傷逐漸積累，造成滯回環(huán)不斷向后遷移。

圖4 不同加載上限應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 4 Stress-strain curves of different loading upper limits

2.2 彈性模量

進(jìn)行彈性模量計(jì)算時(shí)要考慮循環(huán)載荷對(duì)巖樣造成的損傷，即每次循環(huán)加、卸載均發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，且隨著循環(huán)上限應(yīng)力的增加，巖樣的塑性變形加劇，所以分別對(duì)加載階段和卸載階段彈性區(qū)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示(E+、E-分別為加卸載階段彈性模量)。

表2 彈性模量計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of elastic modulus

為進(jìn)一步研究彈性模量的變化情況，繪制了彈性模量與軸向應(yīng)力的曲線，并進(jìn)行擬合，如圖5所示。

圖5 加卸載彈性模量擬合曲線 Fig. 5 Loading and unloading elastic modulus fitting curve

由圖5可以看出，應(yīng)力水平可以較好地反映E+和E-的變化趨勢(shì)。隨著加載上限應(yīng)力水平的提高，加載彈性模量和卸載均呈增大趨勢(shì)。當(dāng)加載上限應(yīng)力水平逐漸達(dá)到極限值時(shí)，彈性模量增大速率逐漸減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。循環(huán)過(guò)程中，在相同應(yīng)力水平下，加載彈性模量小于卸載彈性模量，循環(huán)加載階段初期，巖石內(nèi)部原生裂紋裂隙被嚴(yán)密后，卸載階段不能完全恢復(fù)，卸載彈性模量增大，隨著應(yīng)力水平的提高，二者差值變小。

3 循環(huán)應(yīng)力下聲發(fā)射特性

3.1 巖石聲發(fā)射特征

巖石變形破壞過(guò)程中，將內(nèi)部存儲(chǔ)的部分應(yīng)變能以彈性波的方式釋放，聲發(fā)射系統(tǒng)可以接收到釋放的彈性波，而傳感器能夠把機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最終通過(guò)波形變化表征巖石內(nèi)部聲發(fā)射活動(dòng)，進(jìn)而反映巖石內(nèi)部節(jié)理發(fā)育擴(kuò)展和損傷情況。

1950年，德國(guó)學(xué)者Kaiser J[14]對(duì)金屬材料壓縮時(shí)，在后一次加載應(yīng)力值小于前一次值時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)幾乎沒(méi)有產(chǎn)生；當(dāng)超過(guò)前一次最大應(yīng)力值時(shí)產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號(hào)，即為Kaiser效應(yīng)。目前，常用聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)來(lái)分析Kaiser效應(yīng)。因此，通過(guò)應(yīng)力-時(shí)間-聲發(fā)射特征參數(shù)曲線(圖6)來(lái)綜合分析Kaiser效應(yīng)，建立巖石損傷破壞與聲發(fā)射規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)復(fù)雜應(yīng)力路徑下巖石變形破壞機(jī)理具有重要意義。

由圖6a可以看出，聲發(fā)射主要發(fā)生在循環(huán)加載階段，而在卸載階段中幾乎沒(méi)有發(fā)生這種現(xiàn)象，即認(rèn)為聲發(fā)射活動(dòng)在卸載階段進(jìn)入“休眠期”。由圖6b可以看出，在第1次和第2次加卸載循環(huán)時(shí)，振鈴累計(jì)數(shù)曲線的增幅較為明顯，在第3～6次循環(huán)時(shí)，振鈴累計(jì)數(shù)曲線的增幅較為平緩，在第7次循環(huán)加載上限應(yīng)力值達(dá)到70 MPa之前時(shí)，振鈴累計(jì)數(shù)曲線拐點(diǎn)突增，第8次當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到73.66 MPa時(shí)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和聲發(fā)射振鈴累計(jì)數(shù)均達(dá)到頂峰。表明循環(huán)加載應(yīng)力值超過(guò)上一次加載上限應(yīng)力值后，巖石產(chǎn)生了不可恢復(fù)的損傷變形。巖石每經(jīng)歷一次循環(huán)加卸載后會(huì)在內(nèi)部達(dá)到新的平衡，此時(shí)聲發(fā)射活動(dòng)相對(duì)平靜，累計(jì)數(shù)曲線變化平緩；隨著加載上限應(yīng)力值增大，原先平衡被打破，使得裂紋裂隙繼續(xù)擴(kuò)展發(fā)育，尋找下一個(gè)平衡，該階段聲發(fā)射活動(dòng)明顯。這一現(xiàn)象不斷循環(huán)直至進(jìn)入最后的破壞階段，這些裂紋裂隙最終匯聚貫通形成宏觀破斷面，振鈴累計(jì)數(shù)達(dá)到最值。

圖6 聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律Fig. 6 Activity law of acoustic emission

Kaiser效應(yīng)分析，在分級(jí)循環(huán)加卸載條件下，振鈴累計(jì)數(shù)曲線階梯型變化明顯，拐點(diǎn)突出，但是在第4次循環(huán)加載階段(本次循環(huán)上限應(yīng)力大于峰值應(yīng)力的50%)，加載應(yīng)力達(dá)到28.18 MPa時(shí)，振鈴累計(jì)數(shù)出現(xiàn)拐點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力小于第3次循環(huán)的峰值應(yīng)力，Kaiser 效應(yīng)失效，巖石損傷加劇。

3.2 聲發(fā)射Felicity比

聲發(fā)射Felicity效應(yīng)是指在循環(huán)加卸載過(guò)程中，巖石當(dāng)前應(yīng)力值未超過(guò)上次加載階段的上限應(yīng)力值，但此時(shí)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)增加明顯，又稱為反Kaiser效應(yīng)。因此，Kaiser效應(yīng)的有效性可以通過(guò)Felicity比值來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，考慮到實(shí)驗(yàn)的誤差，可認(rèn)為Felicity比值≥0.9時(shí)，Kaiser效應(yīng)有效[15]。Felicity 比定義為

Ri=σAE/σi-1,

(1)

式中：Ri——循環(huán)第i次的Felicity比；

σAE——第i次產(chǎn)生大量聲發(fā)射對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；

σi-1——第i-1次加載過(guò)程中所受的最大應(yīng)力。

Felicity 比值變化曲線如圖7所示。

圖7 Felicity 比值變化曲線Fig. 7 Felicity ratio change curve

由圖7可知，F(xiàn)elicity比曲線平滑下降，在第3次循環(huán)加卸載階段(上限應(yīng)力小于峰值應(yīng)力的50%)，F(xiàn)elicity比由1.525降到0.945，Kaiser效應(yīng)明顯；第4次循環(huán)階段(上限應(yīng)力大于峰值應(yīng)力的50%)，F(xiàn)elicity比降為0.863，表明Kaiser效應(yīng)失效，F(xiàn)elicity效應(yīng)成立，試件裂紋穩(wěn)定發(fā)展，經(jīng)歷第5、第6、第7次循環(huán)加卸載后，F(xiàn)elicity比降為0.758，巖石破壞加劇。

4 結(jié) 論

(1)不同上限應(yīng)力水平下砂巖的加、卸載曲線均表現(xiàn)出明顯的非線性變形特征；加卸載曲線形成滯回環(huán)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由疏向密變化，并朝著應(yīng)變?cè)黾拥姆较蛞苿?dòng)；加卸載曲線均呈上凹型，且上凹度與加載上限應(yīng)力呈正相關(guān)。

(2)隨著應(yīng)力水平的提高，加卸載彈性模量均呈增大趨勢(shì)，但增大的速率逐漸減小且二者差值也逐漸變?。恍遁d彈性模量始終大于加載彈性模量，加卸載彈性模量在一定程度上體現(xiàn)了砂巖整體彈性參數(shù)的變化。

(3)加載階段聲發(fā)射活動(dòng)明顯，而在卸載階段聲發(fā)射活動(dòng)進(jìn)入“休眠期”；加載前期，當(dāng)加載上限應(yīng)力值未超過(guò)峰值應(yīng)力的50%時(shí)，F(xiàn)elicity比大于0.9，Kaiser效應(yīng)明顯；當(dāng)上限應(yīng)力大于峰值應(yīng)力的50%時(shí)，F(xiàn)elicity比小于0.9，Kaiser效應(yīng)失效，巖石破壞加劇，說(shuō)明隨循環(huán)加卸載應(yīng)力的增加，巖石內(nèi)部損傷加劇。