王冠強(qiáng), 于懷昌,2, 席偉, 程廣利, 牛睿

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州450046;3.中鐵資源集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)有限公司,河北 廊坊 065099; 4.中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100020)

巖石是一種復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì),含有許多缺陷(如節(jié)理、裂隙、軟弱面和斷層),原有的缺陷對(duì)巖石的強(qiáng)度和變形能力有很大影響。此外,巖體的破壞往往是沿著原生缺陷發(fā)生,學(xué)者針對(duì)不同的缺陷組合做了大量的單軸壓縮試驗(yàn)研究。然而,隨著我國(guó)一些大型巖體工程的實(shí)施,越來(lái)越多的工程實(shí)踐表明,巖體從開(kāi)始變形到最終失穩(wěn)破壞是一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的復(fù)雜的非線(xiàn)性累進(jìn)過(guò)程,即巖體發(fā)生蠕變破壞,如錦屏Ⅱ級(jí)水電站大理巖、小灣水電站片麻巖、三峽水電站花崗巖等在實(shí)際工程中均表現(xiàn)出了較明顯的蠕變變形與破壞特征。因此,研究裂隙對(duì)巖體蠕變特征的影響是非常重要的基礎(chǔ)性研究工作,對(duì)于評(píng)價(jià)巖體工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性來(lái)說(shuō)具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)含有不同裂隙長(zhǎng)度、裂隙間距、裂隙傾角的裂隙巖體研究中已經(jīng)取得了一些重要的成果。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)預(yù)制裂隙狀態(tài)下的類(lèi)巖石材料做了一系列試驗(yàn),探究預(yù)制裂隙對(duì)巖體力學(xué)性能的影響。張平等[1-2]對(duì)含預(yù)制裂隙的類(lèi)砂巖模型試樣進(jìn)行單軸加載試驗(yàn),研究了試驗(yàn)條件下預(yù)制裂隙試樣的裂隙起裂、擴(kuò)展、貫通機(jī)制,進(jìn)而對(duì)含裂隙試樣的應(yīng)變速率效應(yīng)作出了進(jìn)一步解釋。蒲成志等[3]對(duì)多裂隙類(lèi)巖石材料進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),分析了裂隙分布密度、裂隙角度對(duì)巖石斷裂破壞強(qiáng)度的影響規(guī)律。李平等[4]對(duì)雙裂隙類(lèi)砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),分析了不同巖橋傾角下裂隙巖石的斷裂破壞特征和強(qiáng)度損失規(guī)律。易婷等[5]對(duì)含不同裂隙傾角和數(shù)目的類(lèi)巖石材料進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),分析了裂隙傾角和裂隙數(shù)目對(duì)巖石強(qiáng)度和變形特性的影響規(guī)律。與此同時(shí),研究人員對(duì)真實(shí)巖石進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn),探究預(yù)制裂隙狀態(tài)下巖石的力學(xué)變化特征。楊圣奇等[6]對(duì)預(yù)制裂隙大理巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),分析了裂隙參數(shù)幾何分布對(duì)巖樣變形、強(qiáng)度及破壞特性的影響規(guī)律。黃達(dá)等[7]對(duì)含預(yù)制裂隙大理巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),分析了裂隙對(duì)大理巖力學(xué)變形破壞特征的影響規(guī)律。宋彥琦等[8]對(duì)含預(yù)制裂紋大理巖進(jìn)行單、雙軸加載和側(cè)向卸載試驗(yàn),研究了加載方式對(duì)預(yù)制裂紋擴(kuò)展貫通規(guī)律的影響。研究人員也結(jié)合聲發(fā)射技術(shù),進(jìn)一步研究了裂隙巖體的力學(xué)、聲發(fā)射特征。WANG G L等[9]對(duì)砂巖完整試樣和含有預(yù)制裂隙的試樣進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn),分析了預(yù)制裂隙對(duì)巖石力學(xué)特性和聲發(fā)射特征的影響。張茹等[10]對(duì)花崗巖進(jìn)行單軸多級(jí)加載聲發(fā)射試驗(yàn),分析了花崗巖聲發(fā)射事件數(shù)趨于穩(wěn)定或者增幅平緩時(shí),事件率和能率明顯降低,認(rèn)為巖石破壞發(fā)生前多出現(xiàn)聲發(fā)射的突然驟降或相對(duì)平靜期現(xiàn)象。吳永勝等[11]對(duì)兩組不同巖石進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn),分析了巖石受壓破壞過(guò)程中巖石體積變形與巖石聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律,得出巖石破壞過(guò)程中巖石的聲發(fā)射率和能率不完全一致,聲發(fā)射能率的變化規(guī)律較聲發(fā)射率表現(xiàn)得更加敏感。

然而,工程中大多數(shù)巖石的破壞是由于巖石受到長(zhǎng)時(shí)間的荷載作用導(dǎo)致的。當(dāng)巖石承受的力小于其自身所能抵抗的破壞力時(shí),巖石產(chǎn)生蠕變變形;當(dāng)巖石承受的力大于其自身所能抵抗的破壞力時(shí),巖石發(fā)生失穩(wěn)破壞。呂培苓等[12]對(duì)兩種完整巖石進(jìn)行單軸壓縮蠕變聲發(fā)射試驗(yàn),分析了蠕變3個(gè)階段的聲發(fā)射活動(dòng)特征,得出巖石在不同蠕變階段聲發(fā)射率和m值的變化規(guī)律。徐子杰等[13]對(duì)大理巖進(jìn)行了蠕變加載試驗(yàn),分析了蠕變加載時(shí)的不同應(yīng)力水平對(duì)大理巖試樣內(nèi)部損傷的影響,得出巖石在破壞時(shí)突然產(chǎn)生大的聲發(fā)射數(shù)和能量釋放率。龔囪等[14]對(duì)紅砂巖進(jìn)行了蠕變聲發(fā)射定位試驗(yàn),分析了不同蠕變應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)特性變化規(guī)律,得出了蠕變應(yīng)力與損傷應(yīng)力的關(guān)系對(duì)聲發(fā)射震源時(shí)空演化的影響。姜德義等[15]對(duì)砂巖進(jìn)行長(zhǎng)期和階梯加載蠕變聲發(fā)射試驗(yàn),分析了砂巖變形與聲發(fā)射特征的關(guān)系,得出聲發(fā)射信號(hào)的能量概率密度滿(mǎn)足冪函數(shù)分布規(guī)律。上述研究成果豐富了完整巖石蠕變聲發(fā)射領(lǐng)域的研究,但對(duì)含預(yù)制裂隙的巖石蠕變聲發(fā)射研究還較少,通常在巖石長(zhǎng)期蠕變的過(guò)程中,裂隙巖體的蠕變力學(xué)性質(zhì)往往是影響工程長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

鑒于此,本文以小浪底庫(kù)區(qū)大面積分布的三疊系砂巖為例,在相同試驗(yàn)條件下,分別對(duì)無(wú)預(yù)制裂隙砂巖試樣以及預(yù)制裂隙砂巖試樣進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果,分析兩種試樣應(yīng)變、長(zhǎng)期強(qiáng)度、聲發(fā)射事件數(shù)以及b值的變化特征,對(duì)比分析b值與軸向應(yīng)變、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在預(yù)測(cè)巖石破壞方面的差異,研究成果可為工程實(shí)踐提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

對(duì)運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室的小浪底庫(kù)區(qū)三疊系砂巖巖塊進(jìn)行切割,制成長(zhǎng)方體試樣,尺寸為70 mm×70 mm×140 mm(長(zhǎng)×寬×高),端面不平整度偏差控制在±0.05 mm范圍,端面對(duì)軸線(xiàn)垂直度偏差控制在±0.25°范圍。

在切割好的長(zhǎng)方體試樣上,制備含兩條裂隙的砂巖試樣,預(yù)制裂隙穿透試樣,制備好的試樣如圖1所示。預(yù)制裂隙幾何特征如圖2所示,圖中裂隙長(zhǎng)度2a=20.0 mm,裂隙間距2b=25.0 mm,裂隙傾角α=45°,巖橋傾角β=105°。

圖1 制備好的試樣

圖2 裂隙幾何特征

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用RLJW-2000巖石流變伺服儀和PCI-Ⅱ聲發(fā)射測(cè)試儀。聲發(fā)射儀前置放大器增益設(shè)定為40 dB,門(mén)檻值45 dB。試驗(yàn)中巖石變形測(cè)試系統(tǒng)與聲發(fā)射傳感器探頭布置如圖3所示。試驗(yàn)過(guò)程中,保持應(yīng)力加載、應(yīng)變量測(cè)以及聲發(fā)射信號(hào)采集同步。

圖3 變形測(cè)試系統(tǒng)與聲發(fā)射傳感器探頭布置

1.3 試驗(yàn)方案

對(duì)砂巖試樣進(jìn)行常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn),測(cè)得無(wú)預(yù)制裂隙砂巖試樣平均質(zhì)量為1.82 kg,密度為2.64 g/cm3,單軸抗壓強(qiáng)度為170.5 MPa,彈性模量為31.8 GPa,試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式,應(yīng)力加載速率為0.2 kN/s,恒載時(shí)間為2 h。

試驗(yàn)中,軸向應(yīng)力水平差值為15 MPa,以便對(duì)比相同應(yīng)力水平下兩種試樣的蠕變力學(xué)特性。試樣臨近破壞前,為避免試樣在加載過(guò)程中發(fā)生破壞,根據(jù)試樣的聲發(fā)射特征,適當(dāng)減小試樣的軸向應(yīng)力水平差值。同時(shí),為了減少試驗(yàn)結(jié)果的離散性,對(duì)預(yù)制裂隙試樣進(jìn)行了2組平行試驗(yàn),對(duì)無(wú)預(yù)制裂隙試樣進(jìn)行了2組平行對(duì)比試驗(yàn)。平行試驗(yàn)結(jié)果顯示,兩組試樣變化特征相近。為更清晰地說(shuō)明試驗(yàn)規(guī)律,從每組試驗(yàn)中選擇一個(gè)代表性的試樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,如圖4所示。

圖4 砂巖試樣分級(jí)加載蠕變曲線(xiàn)

從圖4(a)可以看出,對(duì)無(wú)預(yù)制裂隙試樣進(jìn)行了9級(jí)加載,在160 MPa應(yīng)力水平作用下試樣發(fā)生破壞。從圖4(b)可以看出,對(duì)預(yù)制裂隙試樣進(jìn)行了9級(jí)加載,在100 MPa應(yīng)力水平作用下試樣發(fā)生破壞。與無(wú)預(yù)制裂隙試樣破壞強(qiáng)度相比,預(yù)制裂隙試樣破壞強(qiáng)度顯著降低,降低了37.5%。

依據(jù)圖4中分級(jí)加載蠕變曲線(xiàn),采用“陳氏加載法”[16]將其轉(zhuǎn)化為分別加載蠕變曲線(xiàn),如圖5所示。

圖5 砂巖試樣分別加載蠕變曲線(xiàn)

對(duì)比圖5(a)、圖5(b)可知:各級(jí)應(yīng)力水平下,無(wú)預(yù)制裂隙試樣的軸向應(yīng)變曲線(xiàn)隨時(shí)間連續(xù)變化,沒(méi)有出現(xiàn)突增現(xiàn)象;而在90 MPa應(yīng)力水平下,預(yù)制裂隙試樣的軸向應(yīng)變曲線(xiàn)出現(xiàn)臺(tái)階狀形態(tài),表現(xiàn)為應(yīng)變的瞬時(shí)增加,這是由于預(yù)制裂隙端部微裂隙的萌生、擴(kuò)展、搭接、貫通,產(chǎn)生局部大尺度破裂導(dǎo)致的試樣應(yīng)變曲線(xiàn)出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象。

2 砂巖的蠕變力學(xué)特性

2.1 應(yīng)變特征

各級(jí)應(yīng)力水平下,無(wú)預(yù)制裂隙試樣和預(yù)制裂隙試樣的軸向應(yīng)變均可分為瞬時(shí)應(yīng)變與蠕應(yīng)變兩部分,即每級(jí)應(yīng)力水平施加的瞬間,試樣產(chǎn)生瞬時(shí)變形,之后在恒定應(yīng)力作用下試樣的變形隨時(shí)間增大而增大[17-19]。在前5級(jí)相同應(yīng)力水平下,兩種試樣的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變見(jiàn)表1。

表1 前五級(jí)相同應(yīng)力水平下兩種試樣的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變

從表1中可以看出:兩種試樣的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變、總應(yīng)變均隨應(yīng)力水平的增加而增大,即隨應(yīng)力水平的增加,試樣瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變均逐漸增大;相同應(yīng)力水平下,與無(wú)預(yù)制裂隙試樣相比,預(yù)制裂隙試樣的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變均大于無(wú)預(yù)制裂隙試樣的相應(yīng)值,表明預(yù)制裂隙的存在降低了巖石的完整性和穩(wěn)定性,從而使試樣更易產(chǎn)生變形。

前5級(jí)相同應(yīng)力水平下,預(yù)制裂隙試樣的瞬時(shí)應(yīng)變分別是無(wú)預(yù)制裂隙試樣相應(yīng)瞬時(shí)應(yīng)變的1.35、1.50、1.51、1.50、1.52倍;預(yù)制裂隙試樣的蠕應(yīng)變分別是無(wú)預(yù)制裂隙試樣相應(yīng)蠕應(yīng)變的1.00、12.00、3.00、9.00、6.00倍;預(yù)制裂隙試樣的總應(yīng)變分別是無(wú)預(yù)制裂隙試樣相應(yīng)總應(yīng)變的1.35、1.56、1.52、1.53、1.55倍。因此,預(yù)制裂隙對(duì)試樣的蠕應(yīng)變影響最大,總應(yīng)變其次,而對(duì)試樣的瞬時(shí)應(yīng)變影響最小,在工程中要高度重視裂隙所導(dǎo)致的巖石蠕應(yīng)變?cè)龃髥?wèn)題。

2.2 長(zhǎng)期強(qiáng)度

巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度是評(píng)價(jià)工程長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全的重要參數(shù),越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到在重大工程建設(shè)中長(zhǎng)期強(qiáng)度對(duì)于工程安全的重要性。迄今為止,已有較多研究人員對(duì)巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度展開(kāi)了研究,但大多是針對(duì)巖石含水率情況進(jìn)行的討論。得到的結(jié)論是:隨含水率的增加,巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度顯著降低[20-22]。本文研究了預(yù)制裂隙引起的巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度降低問(wèn)題,得出的結(jié)論是:預(yù)制裂隙大幅降低了巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度。

等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)由近似線(xiàn)性段和非線(xiàn)性段組成,陳宗基[23]稱(chēng)線(xiàn)性段到非線(xiàn)性段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為“第三屈服點(diǎn)”,其應(yīng)力值為“第三屈服強(qiáng)度”。該轉(zhuǎn)折點(diǎn)標(biāo)志著巖石由黏彈性階段向黏塑性階段轉(zhuǎn)化,得到的拐點(diǎn)值即為長(zhǎng)期強(qiáng)度值[24-26]。無(wú)預(yù)制裂隙試樣和預(yù)制裂隙試樣的等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),如圖6所示。兩種試樣的破壞強(qiáng)度及長(zhǎng)期強(qiáng)度見(jiàn)表2。

圖6 試樣的等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖

表2 試樣的破壞強(qiáng)度及長(zhǎng)期強(qiáng)度

由表2可以看出:預(yù)制裂隙試樣的破壞強(qiáng)度、長(zhǎng)期強(qiáng)度均低于無(wú)預(yù)制裂隙試樣的相應(yīng)值,預(yù)制裂隙試樣的破壞強(qiáng)度和長(zhǎng)期強(qiáng)度分別是無(wú)預(yù)制裂隙試樣的62.5%、79.5%。分析認(rèn)為,預(yù)制裂隙巖樣中的預(yù)制裂隙影響了試樣的完整性和穩(wěn)定性,從而大幅降低了巖樣的破壞強(qiáng)度、長(zhǎng)期強(qiáng)度。因此,在工程中應(yīng)考慮由于裂隙影響而導(dǎo)致的巖石強(qiáng)度降低問(wèn)題。

從理論上來(lái)說(shuō),盡管本節(jié)得出的試樣長(zhǎng)期強(qiáng)度值為砂巖試樣的近似長(zhǎng)期強(qiáng)度值,但基于試驗(yàn)結(jié)果得到的預(yù)制裂隙對(duì)巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響規(guī)律是正確的。

3 砂巖的聲發(fā)射特征

3.1 聲發(fā)射事件數(shù)特征

試樣的聲發(fā)射事件數(shù)與累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù),如圖7所示。

圖7 試樣的聲發(fā)射事件數(shù)與累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)

由圖7(a)可以看出:在單級(jí)應(yīng)力水平下,無(wú)預(yù)制裂隙試樣的聲發(fā)射事件數(shù)較少,曲線(xiàn)呈下降-上升-下降趨勢(shì);與無(wú)預(yù)制裂隙試樣相比,預(yù)制裂隙試樣單級(jí)聲發(fā)射事件數(shù)均高于無(wú)預(yù)制裂隙試樣的相應(yīng)值,表明預(yù)制裂隙的存在對(duì)單級(jí)應(yīng)力水平下試樣聲發(fā)射事件數(shù)影響顯著;兩條曲線(xiàn)在第1、2級(jí)平緩,在第3、4級(jí)應(yīng)力水平下,無(wú)預(yù)制裂隙試樣曲線(xiàn)依舊平緩,而預(yù)制裂隙試樣曲線(xiàn)發(fā)生陡然上升;在第3級(jí)應(yīng)力水平下,預(yù)制裂隙試樣事件數(shù)從304個(gè)急劇增加到813個(gè),增長(zhǎng)了1.6倍,說(shuō)明其內(nèi)部裂紋快速萌生、擴(kuò)展、搭接、貫通,而該級(jí)應(yīng)力下無(wú)預(yù)制裂隙試樣聲發(fā)射事件數(shù)變化較小;在第4級(jí)應(yīng)力水平下,預(yù)制裂隙試樣聲發(fā)射事件數(shù)從813個(gè)增長(zhǎng)到1 990個(gè),增長(zhǎng)了1.4倍,而無(wú)預(yù)制裂隙試樣聲發(fā)射事件數(shù)卻從50個(gè)降低到45個(gè),無(wú)預(yù)制裂隙試樣的聲發(fā)射事件數(shù)僅是其第1級(jí)應(yīng)力水平下事件數(shù)的0.26倍,預(yù)制裂隙試樣的聲發(fā)射事件數(shù)是其第1級(jí)應(yīng)力水平下聲發(fā)射事件數(shù)的4.50倍。預(yù)制裂隙的存在導(dǎo)致試樣蠕變過(guò)程中產(chǎn)生了更多的聲發(fā)射信號(hào),預(yù)制裂隙試樣內(nèi)部微破裂更顯著。

由圖7(b)可知:各級(jí)應(yīng)力水平下,無(wú)預(yù)制裂隙試樣累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)增長(zhǎng)平緩,沒(méi)有發(fā)生突增現(xiàn)象,曲線(xiàn)斜率近似線(xiàn)性增長(zhǎng),而預(yù)制裂隙試樣累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)在第4級(jí)應(yīng)力加載后發(fā)生突增現(xiàn)象,從1 560個(gè)增長(zhǎng)到3 550個(gè),曲線(xiàn)斜率變化顯著;預(yù)制裂隙試樣產(chǎn)生的累計(jì)聲發(fā)射事件總數(shù)達(dá)20 837個(gè),是無(wú)預(yù)制裂隙試樣累計(jì)聲發(fā)射事件總數(shù)的23.70倍。

綜上所述,由于預(yù)制裂隙的影響,預(yù)制裂隙試樣單級(jí)應(yīng)力水平下聲發(fā)射事件數(shù)和各級(jí)應(yīng)力水平下累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)均顯著高于無(wú)預(yù)制裂隙試樣,預(yù)制裂隙的存在對(duì)試樣聲發(fā)射事件數(shù)影響顯著。這是由于在恒定應(yīng)力作用下,預(yù)制裂隙極大程度地降低了試樣的完整性和穩(wěn)定性,沿預(yù)制裂隙端部微裂隙更易于萌生、擴(kuò)展、搭接、相互貫通,尤其是預(yù)制裂隙試樣產(chǎn)生的累計(jì)聲發(fā)射事件總數(shù)是無(wú)預(yù)制裂隙試樣累計(jì)聲發(fā)射總數(shù)的23.70倍,表明預(yù)制裂隙的存在導(dǎo)致試樣內(nèi)部微破裂活動(dòng)更為劇烈。

3.2 聲發(fā)射b值特征分析

20世紀(jì)中葉,國(guó)外學(xué)者古登堡和里克特分析了大量的地震活動(dòng),提出了著名的古登堡-里克特關(guān)系(G-R關(guān)系)式,并將其應(yīng)用于地震學(xué)領(lǐng)域中[27-28],即:

lgN=a-bM。

(1)

式中:N為震級(jí)不小于M的地震次數(shù);M為地震震級(jí);a為常數(shù);b為地震學(xué)領(lǐng)域中的參數(shù),能夠很好地反映區(qū)域地震活動(dòng)。

隨著科研工作的開(kāi)展,研究人員發(fā)現(xiàn)b值在巖石變形破壞過(guò)程中存在一定規(guī)律,通過(guò)將聲發(fā)射幅值除以20來(lái)代替地震震級(jí)M,即:

ML=A/20。

(2)

式中:ML為聲發(fā)射的“地震震級(jí)”;A為聲發(fā)射幅值。

在聲發(fā)射計(jì)算中,N為大于等于ML聲發(fā)射事件發(fā)生的次數(shù),采用最小二乘法計(jì)算聲發(fā)射b值。試樣內(nèi)微破裂以小尺度破壞為主,對(duì)應(yīng)b值表現(xiàn)為逐步增大;試樣內(nèi)微破裂以大尺度破壞為主,對(duì)應(yīng)b值表現(xiàn)為逐漸減小。兩種試樣的軸向應(yīng)變-時(shí)間-b值的關(guān)系如圖8所示。

圖8 兩種試樣的軸向應(yīng)變-時(shí)間-b值關(guān)系圖

從圖8可以看出,在相同應(yīng)力水平下,無(wú)預(yù)制裂隙試樣與預(yù)制裂隙試樣均發(fā)生減速蠕變和等速蠕變兩個(gè)過(guò)程。在減速蠕變階段,聲發(fā)射b值下降;進(jìn)入等速蠕變階段,聲發(fā)射b值緩慢上升。這說(shuō)明:在減速蠕變階段,試樣內(nèi)部微破裂尺度較大且處于不穩(wěn)定擴(kuò)展中,蠕變速率逐漸降低;進(jìn)入等速蠕變階段后,試樣內(nèi)部微裂紋穩(wěn)定而緩慢擴(kuò)展,試樣內(nèi)部微破裂以小尺度為主。與無(wú)預(yù)制裂隙試樣相比,預(yù)制裂隙試樣聲發(fā)射b值點(diǎn)更為密集且上下波動(dòng)劇烈,這是由于預(yù)制裂隙的存在降低了試樣的完整性和穩(wěn)定性,從而導(dǎo)致試樣聲發(fā)射b值波動(dòng)更為劇烈。

無(wú)預(yù)制裂隙試樣和預(yù)制裂隙試樣的聲發(fā)射b值極大值分別為2.401和2.537,極小值分別為0.864和0.546,極差分別為1.537和1.991。與無(wú)預(yù)制裂隙試樣b值相比,預(yù)制裂隙試樣b值極大值增大,極小值降低,極差增大,表明預(yù)制裂隙試樣內(nèi)部活動(dòng)尺度大,內(nèi)部損傷活動(dòng)頻繁,微裂紋擴(kuò)展速度快,更容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

3.3 破壞前兆差異分析

聲發(fā)射b值的突降,軸向應(yīng)變、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的突升可作為預(yù)示巖石失穩(wěn)破壞的重要依據(jù)[29]。對(duì)試樣最后一級(jí)應(yīng)力水平下的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理,得到兩種試樣在最后一級(jí)應(yīng)力水平下軸向應(yīng)變-時(shí)間-b值-累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的變化情況,如圖9所示。兩種試樣的破壞前兆信息見(jiàn)表3。

圖9 試樣軸向應(yīng)變-時(shí)間-b值-累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系圖

表3 試樣的破壞前兆信息 s

分析圖9、表3可知:在最后一級(jí)應(yīng)力水平下,加速蠕變階段,試樣的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)突升與b值突降都預(yù)示著試樣的失穩(wěn)破壞;無(wú)預(yù)制裂隙試樣在61 s處發(fā)生應(yīng)變破壞,累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在52 s處突變預(yù)示破壞,較應(yīng)變預(yù)示時(shí)間點(diǎn)提前9 s,而b值在35 s處驟降預(yù)示破壞,較應(yīng)變預(yù)示時(shí)間點(diǎn)提前26 s;預(yù)制裂隙試樣在641 s處發(fā)生應(yīng)變破壞,累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在599 s處突變預(yù)示破壞,較應(yīng)變預(yù)示時(shí)間點(diǎn)提前42 s,而b值在575 s處驟降預(yù)示破壞,較應(yīng)變預(yù)示時(shí)間點(diǎn)提前66 s。與無(wú)預(yù)制裂隙試樣破壞時(shí)間點(diǎn)預(yù)測(cè)相比,預(yù)制裂隙試樣在應(yīng)變破壞、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)預(yù)示破壞、b值預(yù)示破壞時(shí)間點(diǎn)方面均有所提前,可見(jiàn)預(yù)制裂隙的存在對(duì)于預(yù)示試樣破壞有較好的效果。

由上述分析可以得出:無(wú)預(yù)制裂隙試樣和預(yù)制裂隙試樣的聲發(fā)射b值對(duì)于預(yù)測(cè)試樣失穩(wěn)破壞效果最好,較應(yīng)變破壞分別提前了26、66 s,其次是累計(jì)振鈴計(jì)數(shù),較應(yīng)變破壞分別提前了9、42 s。聲發(fā)射b值能更早地預(yù)示巖石的失穩(wěn)破壞,可以作為一種有效的巖石蠕變破壞的前兆信息。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在相同應(yīng)力水平下,預(yù)制裂隙試樣的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變均大于無(wú)預(yù)制裂隙試樣的相應(yīng)值。預(yù)制裂隙對(duì)試樣的蠕應(yīng)變影響最大,總應(yīng)變其次,而對(duì)試樣的瞬時(shí)應(yīng)變影響最小。

2)無(wú)預(yù)制裂隙試樣與預(yù)制裂隙試樣的長(zhǎng)期強(qiáng)度值分別是104.6、83.2 MPa,預(yù)制裂隙試樣的長(zhǎng)期強(qiáng)度是無(wú)預(yù)制裂隙試樣的79.5%。由于預(yù)制裂隙的影響,試樣長(zhǎng)期強(qiáng)度大幅降低,在工程中應(yīng)考慮裂隙對(duì)巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響。

3)預(yù)制裂隙試樣產(chǎn)生的累計(jì)聲發(fā)射事件總數(shù)達(dá)20 837個(gè),是無(wú)預(yù)制裂隙試樣累計(jì)聲發(fā)射事件總數(shù)的23.70倍;預(yù)制裂隙試樣單級(jí)應(yīng)力水平下聲發(fā)射事件數(shù)和各級(jí)應(yīng)力水平下累計(jì)聲發(fā)射事件數(shù)均顯著高于無(wú)預(yù)制裂隙試樣的相應(yīng)值,預(yù)制裂隙試樣內(nèi)部微破裂活動(dòng)更為劇烈。

4)預(yù)制裂隙試樣在預(yù)測(cè)試樣破壞時(shí)間點(diǎn)方面較無(wú)預(yù)制裂隙試樣均有所提前;聲發(fā)射b值預(yù)測(cè)試樣失穩(wěn)破壞的效果優(yōu)于軸向應(yīng)變、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)。聲發(fā)射b值能更早地預(yù)示巖石的失穩(wěn)破壞,可以作為一種有效的巖石蠕變破壞的前兆信息。