動靜組合加載下巖石破壞的聲發(fā)射實驗*

王其勝,萬國香,李夕兵

（1.嘉應學院土木工程系,廣東 梅州 514015;

2.嘉應學院物理與光信息科技學院,廣東梅州 514015;

3.中南大學資源與安全工程學院,湖南長沙 410083）

1 引 言

當巖石、混凝土等脆性材料受外力或內力作用時,在變形和破裂過程中伴隨著聲、電磁、光等物理現(xiàn)象,其中以彈性波形式釋放的應變能現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（acoustic emission,AE）。聲發(fā)射作為一種無損檢測技術,是研究脆性材料失穩(wěn)破壞演化過程的良好工具,能夠對巖石等脆性材料內部損傷的產(chǎn)生和擴展進行連續(xù)、實時監(jiān)測,并能夠實現(xiàn)對其破壞位置的定位,這是其他任何監(jiān)測方法都不具有的優(yōu)點,因此被廣泛應用于巖石、混凝土等材料的破壞研究。真正意義上的聲發(fā)射研究以1953年德國物理學家Kaiser所做的工作為標志。之后,人們對不同載荷下巖石破裂過程中的聲發(fā)射及其應用開展了大量的理論和實驗研究,取得了豐碩的成果[1-3]。

大量的實驗結果表明,巖石破裂的聲發(fā)射特征是與巖石性質、加載條件等密切相關的。V.Rudajev等[4]通過對單軸壓縮條件下巖石的聲發(fā)射研究,認為聲發(fā)射時間系列參數(shù)包含了有關應力率和巖石破裂階段的重要信息,這些參數(shù)顯示出了穩(wěn)定的前兆特征。李庶林等[5]對單軸壓縮下巖石的聲發(fā)射研究結果表明,在彈性階段的初期和后期,隨著應力水平的增加,巖石聲發(fā)射顯著增加,特別在彈塑性高應力階段,巖石聲發(fā)射增長迅速;巖樣在實驗接近峰值強度時單位時間內的應力增長速度減小,聲發(fā)射事件率出現(xiàn)明顯下降,即出現(xiàn)相對平靜階段;聲發(fā)射事件率在不同應力水平變化很大,峰值強度后的聲發(fā)射現(xiàn)象仍然明顯,其聲發(fā)射特征隨巖樣破壞形式的不同而不同。L.G.Tham等[6]通過實驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),單軸拉伸下巖石聲發(fā)射特征可分為3個階段:（1）隨機分布的聲發(fā)射信號,（2）破裂帶的出現(xiàn),（3）主破裂的發(fā)生,并且花崗巖的微破裂聚結現(xiàn)象比大理巖更加明顯,非均質性的差異是導致拉應力下巖石聲發(fā)射特征不同的主要原因。張流等[7]的研究結果表明,低圍壓易于產(chǎn)生張性破裂,張性破裂會伴隨較高的聲發(fā)射率,主破裂后聲發(fā)射很少;隨著圍壓的提高,剪切破裂占主導地位,使得聲發(fā)射率降低,但破裂后聲發(fā)射率保持較高的水平。

綜觀以上這些研究,基本上是基于材料受靜應力下的聲發(fā)射,雖然也有一些研究者考慮了不同圍壓下材料的聲發(fā)射[8-14],但都沒有進行動靜組合加載下巖石的聲發(fā)射研究。本文中在霍普金森實驗系統(tǒng)上進行聲發(fā)射實驗,對于純動載下的聲發(fā)射作者已經(jīng)另作研究,在此基礎上對動靜組合加載下聲發(fā)射能量特征進行詳細深入的分析。

2 靜載下巖石的聲發(fā)射

為了與動載組合加載下巖石聲發(fā)射相對比,在INST RON1342型液壓伺服剛性實驗系統(tǒng)上,采用PCI-2型聲發(fā)射儀進行單軸壓縮下的聲發(fā)射實驗。試樣材料選用完整性和均勻性均較好的花崗巖,制備試樣的巖塊在取材、巖層分布上都力求一致。按照單軸壓縮加載條件的要求,試樣的設計尺寸為:直徑50 mm,長徑比為2。每個試樣端面和圓周都進行仔細研磨,兩端不平行度小于0.02 mm,圓周與端面的不垂直度小于0.02 mm。

單軸靜載下聲發(fā)射能量隨應力的變化如圖1所示。從圖1可以看出,在加載初期,有少量小能量的聲發(fā)射事件出現(xiàn),這是巖石內部初始裂紋閉合產(chǎn)生的;在50～100 MPa時,隨著應力繼續(xù)增大,聲發(fā)射能量卻比較平穩(wěn),增大量較小,這對應著巖石應力應變的彈性段,此時巖石內部沒有出現(xiàn)大的裂紋;隨著加載的繼續(xù)進行,巖石過了彈性段,進入損傷階段,在聲發(fā)射能量達到最大值時,相比于彈性段,聲發(fā)射能量有一定的下降,然后,聲發(fā)射能量增加迅速,在應力最高點附近,聲發(fā)射能量達到峰值,巖石發(fā)生破壞。值得說明的是,本文中聲發(fā)射能量并不是絕對能量,而是聲發(fā)射系統(tǒng)自身處理以后的相對能量,為量綱一量。在相對能量為零處,絕對能量并不為零,只是所對應的能量值相對較小。

圖1 靜載下巖石聲發(fā)射能量隨應力的變化Fig.1 AE energy of rock varied with stress under static load

3 動靜組合加載巖石實驗

3.1 實驗系統(tǒng)

經(jīng)過近3年的設計、安裝與改造,在原來SHPB實驗系統(tǒng)的基礎上,增加了軸向靜壓裝置,構成了基于SHPB原理的動靜組合加載實驗系統(tǒng),進一步在該系統(tǒng)上安裝聲發(fā)射儀,動靜組合加載條件下的聲發(fā)射采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 動靜組合加載下巖石聲發(fā)射實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of AE test device of rock under coupled static-dynamic load

3.2 實驗方案和步驟

動靜組合加載實驗方案分2種進行:第1種方案采用相同沖擊動載,不同軸向靜載。實驗步驟如下:（1）確定一沖擊動載水平,采用半正弦波作為加載波形,選定沖擊氣壓和沖頭沖擊速度;（2）將聲發(fā)射探頭安裝在試件上,做好探頭與試件間的潤滑;（3）放置試樣于應力傳遞裝置的2根彈性桿之間,啟動聲發(fā)射采集系統(tǒng);（4）施加預定軸向靜載,并記錄對應的軸向載荷的聲發(fā)射信號;（5）靜載加到預定值,停止聲發(fā)射采集,數(shù)據(jù)存盤后,重新啟動聲發(fā)射儀,等待觸發(fā);（6）啟動沖頭發(fā)射機構,發(fā)射沖頭,聲發(fā)射和應變儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集信號、存盤。第2種方案采用相同軸向靜載,不同沖擊動載。該方案的實驗步驟與方案1大部分相同,只是保持軸向靜載不同,每次改變沖擊動載。

3.3 實驗結果

3.3.1 相同動載不同靜載下花崗巖聲發(fā)射

實驗采用的沖擊動載為200 MPa,軸向靜載σa=27,54,72,90 MPa（分別相當于試樣靜壓強度峰值的25%、50%、67%、84%）進行實驗。每組測試重復5個試樣。

相同動載不同靜載下花崗巖聲發(fā)射能量隨時間的變化如圖3所示,圖中分別給出了軸向靜壓為27、54、72、90 MPa,動載為200 MPa下聲發(fā)射能量的變化。從圖 3可以看出,在90 μs（此時為峰值應力）時,有一個很大的聲發(fā)射能量出現(xiàn),在這個最大值（峰值）之前大的聲發(fā)射信號幾乎沒有,這是由于沖擊載荷速度很快,在應力達到最大值時,小裂紋來不及發(fā)展,當沖擊載荷達到一定值時,巖石產(chǎn)生大的裂紋,聲發(fā)射探頭捕捉到這個信號,就出現(xiàn)了圖中的能量峰值。在峰值能量之后,巖石強度達到了最大值,但并沒有完全破壞,還具有一定的承載能力,應力波繼續(xù)在巖石內部傳播,裂紋進一步擴展,直到最后完全破壞。

圖3 花崗巖在動靜組合加載下聲發(fā)射能量變化Fig.3 AE energy variation of granite under coupled static-dynamic load

從圖3還可以看出,峰值能量后的第1個能量值與峰值能量基本屬一個量級（104）,能量繼續(xù)衰減后,沒有出現(xiàn)回升現(xiàn)象,這與另一種加載方式的能量特征是不同的。

需要說明的是,盡管SHPB力學系統(tǒng)與聲發(fā)射采集系統(tǒng)的采樣點所對應的時間并不一一對應,但是從信號產(chǎn)生到結束,兩者所對應的總時間長是相等的,這樣經(jīng)過計算得到,在應力峰值的附近,聲發(fā)射能量達到峰值。

動靜組合加載條件下,在聲發(fā)射能量峰值出現(xiàn)之前,出現(xiàn)了不同程度的聲發(fā)射能量值。說明在預應力作用下,加上動載耦合作用,巖樣已經(jīng)有一定損傷,出現(xiàn)了裂紋。聲發(fā)射能量峰值前出現(xiàn)的聲發(fā)射信號（這里指能量峰前聲發(fā)射能量的最大值,為方便起見,下面稱為峰前聲發(fā)射能量）隨軸向靜載的變化如圖4所示,在靜載荷小于54 MPa時,這個值隨著靜載的增大緩慢增大,在超過54 MPa時,該值急劇增大。靜載小于54 MPa基本位于巖石彈性段,而超過54 MPa后巖石已經(jīng)進入損傷階段,加上一個小的沖擊力巖石內部就很容易出現(xiàn)較大裂紋,也就是說當軸向靜載位于巖石彈性段巖石強度增強,而靜載超過彈性段,巖石發(fā)生劣化使得裂紋提前出現(xiàn)。

花崗巖聲發(fā)射峰值能量隨軸向靜載的變化規(guī)律如圖5所示,從圖中可以看出,聲發(fā)射峰值能量隨軸向靜載增大而減小,這是由于軸向靜載對巖石產(chǎn)生了預損傷。

圖4 固定動載不同靜載下花崗巖峰前聲發(fā)射能量隨軸向靜載的變化Fig.4 AE pre-peak energy variation with axial static load under fixed dynamic load and axial static load

圖5 相同動載不同靜載下花崗巖聲發(fā)射峰值能量隨靜載的變化Fig.5 AE peak energy variation with static load under fixed dynamic load and different axial static load

3.3.2 相同靜載不同動載下花崗巖聲發(fā)射

圖6 相同靜載不同動載下花崗巖聲發(fā)射能量隨應變的變化Fig.6 AE energy of granite varied with strain under fixed static pressure and different dynamic load

在固定預應力、不同動載下,花崗巖峰前聲發(fā)射能量值隨動載應變率的變化如圖7所示,從圖中可以看出,這個聲發(fā)射值隨動載應變率增大而下降,也就是說,提高沖擊載荷值并不能使巖石產(chǎn)生大的裂紋和損傷,相反,由于動載應變率的提高,巖石強度升高,使巖石在一開始不容易產(chǎn)生損傷。

聲發(fā)射峰值能量隨動載應變率的變化如圖8所示,從圖8可以看出,聲發(fā)射能量峰值隨巖石動載應變率增大而減小。入射應力波速度越大,應力波幅值越大,巖石受載后破碎程度就越大,這說明聲發(fā)射能量與巖石破碎的程度密切相關,巖石破碎程度越大,其能量越小。

圖7 固定靜載不同動載下花崗巖峰前聲發(fā)射能量隨動載應變率的變化Fig.7 AE pre-peak energy variation with dynamic strain rate under fixed static load and different dynamic load

圖8 固定靜載不同動載下花崗巖聲發(fā)射峰值能量隨動載應變率的變化Fig.8 AE peak energy variation with dynamic strain rate under fixed static load and different dynamic load

4 能量規(guī)律與巖石破碎程度的關系

動靜組合加載下花崗巖聲發(fā)射能量呈現(xiàn)出2種不同的特征。Ⅰ型特征和純動載一樣,在聲發(fā)射能量峰值后出現(xiàn)了“拐點”,如圖6所示;Ⅱ型特征,聲發(fā)射能量達到峰值后開始減小,但并不像純動載那樣立刻衰減到一個很小的值,衰減后的第1個值和峰值屬同一量級（104）,而且之后沒有出現(xiàn)“拐點”,如圖3所示。相同動載不同靜載下,大部分巖樣聲發(fā)射規(guī)律屬于Ⅱ型特征;相同靜載不同動載下,大部分巖樣聲發(fā)射規(guī)律屬于Ⅰ型特征。開始,我們認為這可能是巖石的離散性導致的結果,然而通過對巖石破碎的塊度進行分析后發(fā)現(xiàn),不論何種加載條件,如果巖石受載后完全破碎,聲發(fā)射能量呈現(xiàn)Ⅰ型特征,如果巖石受載后沒有完全破碎,只是巖樣表面出現(xiàn)小裂紋,聲發(fā)射能量呈現(xiàn)Ⅱ型特征。這說明動靜組合加載下巖石聲發(fā)射能量規(guī)律與巖石破碎程度關系密切。在實驗中,我們發(fā)現(xiàn),相同動載不同靜載下,大部分巖樣只是表面出現(xiàn)了裂紋;相同靜載不同動載下,大部分巖樣完全破裂,這就能解釋為什么2種加載方案出現(xiàn)2種不同的能量特征。

在實驗過程中,有些巖樣沖擊后仍然保持完好,并沒有發(fā)生破裂,這種情況也探測到了豐富的聲發(fā)射信號,而且聲發(fā)射峰值能量甚至比破裂巖石所記錄到的值更大。如采用沖擊載荷為2 MPa時,編號為10-2的混合花崗巖仍然完整,其聲發(fā)射峰值能量為48 245,而破裂巖石的聲發(fā)射峰值能量基本在4 000以下。這些實驗結果表明,動靜組合加載下巖石聲發(fā)射能量所呈現(xiàn)的Ⅱ型特征,事實上是巖石存在預損傷情況下應力波信號的反映。

W.Goldsmith等[15]對大理巖、玄武巖等火成巖及一些沉積巖、變質巖和混凝土桿,用圓球沖擊的研究結果表明:當沖擊速度大于某一值時應力波即產(chǎn)生衰減,衰減到一定幅值后,衰減隨傳播距離而顯著減小。K.O.Hakailehto[16]在他早期的博士論文中給出了應力波在巖石中衰減的模型。他認為:當加載應力大于巖石初始破裂應力時,巖石內部裂紋的擴展將導致應力波沿巖桿傳播時幅值的衰減,所以導致記錄到的聲發(fā)射值比未破裂巖石的值更小。

對于破碎巖石,聲發(fā)射能量之所以出現(xiàn)“拐點”,是由于一方面振動信號在巖石內部傳播發(fā)生衰減,當巖石內應力達到一定的值時,巖石產(chǎn)生了損傷,出現(xiàn)了與靜載一樣的大破裂聲發(fā)射信號,這個信號和衰減后的振動信號疊加在一起,就出現(xiàn)了“拐點”。

對于非完全破碎巖石,聲發(fā)射能量沒有出現(xiàn)“拐點”,而是在峰值后出現(xiàn)第2個僅次于峰值的能量高值。對于非完全破碎巖石,巖石中心部分仍然完整,沒有破碎,而巖石表面出現(xiàn)了較大裂紋,有些邊緣部分已經(jīng)剝落,這些較大的表面裂紋也會產(chǎn)生較大的聲發(fā)射信號。正因為巖石沒有完全破壞,應力波信號衰減幅度比完全破碎巖石要小得多,所有衰減后的應力波信號和表面裂紋的信號疊加在一起就出現(xiàn)了第2個能量高值,并不出現(xiàn)“拐點”。對于沒有發(fā)生破裂的巖石,聲發(fā)射信號即是應力波信號的反映,是否出現(xiàn)“拐點”或者第2個能量高值需要進一步論證。

5 結 論

（1）巖石在動靜組合加載下聲發(fā)射呈現(xiàn)出與靜載完全不同的規(guī)律,在聲發(fā)射能量峰值前聲發(fā)射信號較少,這是由于沖擊載荷速度太快,小裂紋來不及發(fā)展所致。（2）在動靜組合加載下的聲發(fā)射能量呈現(xiàn)2種特征,與巖石破碎程度密切相關。加載后巖石基本完全破碎,則其聲發(fā)射能量呈現(xiàn)Ⅰ型特征;加載后巖石沒有完全破碎,則呈現(xiàn)Ⅱ型特征。（3）相同動載不同靜載下,當靜載荷小于54 MPa時,聲發(fā)射峰前能量隨靜載的增大緩慢增大;當靜載荷超過54 MPa時,聲發(fā)射峰前能量急劇增大。聲發(fā)射峰值能量隨軸向靜載增大而減小,說明軸向靜載對巖石產(chǎn)生了預損傷。（4）相同靜載不同動載下,聲發(fā)射峰前能量隨動載應變率增大而下降,也就是說提高沖擊載荷值并不能對巖石產(chǎn)生大的裂紋使巖石產(chǎn)生損傷,相反由于動載應變率的提高使得巖石強度升高;聲發(fā)射能量峰值隨巖石動載應變率增大而減小,對于完全破碎的巖石來說動載應變率越大,巖石越容易在應力波達到幅值前發(fā)生破壞,而聲發(fā)射正是應力波信號的一種反映,所以探測到的聲發(fā)射能量峰值越低。

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