紅砂巖不同蠕變階段聲發(fā)射振幅與能量特征研究

龔 囪，陳 輝

（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊83000）

流變性質(zhì)和時(shí)效特征是巖石材料的固有力學(xué)屬性，已有的研究結(jié)果表明[1－3]，不僅軟巖具有明顯的流變特征，甚至堅(jiān)硬的巖石，如大理巖、花崗巖等也具有流變特征。在巖石流變效應(yīng)中對巖石蠕變的研究最具重要性和工程實(shí)用價(jià)值。巖石在不同的應(yīng)力條件下，往往具有不同的變形特征。文獻(xiàn)[2]對軟弱復(fù)雜礦巖進(jìn)行了分級增量循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究了巖樣可恢復(fù)瞬彈性應(yīng)變、不可恢復(fù)瞬塑應(yīng)變、黏彈性應(yīng)變和黏塑性應(yīng)變的變化特征。文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了恒軸壓，逐級卸圍壓試驗(yàn)，討論了綠砂巖軸向、側(cè)向變形特征。巖石在外界荷載作用下，其強(qiáng)度與力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間的持續(xù)存在弱化現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]探討了過渡蠕變法、等時(shí)曲線法確定巖石長期強(qiáng)度的正確性與可操作性，并提出了新的確定巖石長期強(qiáng)度的方法。文獻(xiàn)[6]的研究認(rèn)為彈性模量、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角與應(yīng)力水平、長期強(qiáng)度、時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。為方便、形象的描述巖石蠕變行為，巖石蠕變模型是一重要的研究內(nèi)容。文獻(xiàn)[7]、[8]對現(xiàn)有的蠕變模型進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納與總結(jié)，提出了處理參數(shù)非線性理論流變模型的3種方法與參數(shù)確定方法。

巖石類材料在外界載荷作用下，其內(nèi)部原生裂紋和缺陷的擴(kuò)展以及新的微破裂的孕育、萌生、演化、擴(kuò)展和斷裂過程伴隨著彈性勢能的釋放。而正是這種能量的釋放，從而使巖石類材料在外部荷載作用下具有聲發(fā)射現(xiàn)象。通過聲發(fā)射監(jiān)測可定性或定量的描述巖石在外界載荷作用下微裂紋的演化行為，并且可對巖石（體）發(fā)生災(zāi)變進(jìn)行預(yù)測、預(yù)報(bào)[9－10]。因此，聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)在巖土工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。目前，在巖石聲發(fā)射方面的研究主要集中在不同加（卸）載條件下不同類型巖石的聲發(fā)射特征，并取得了豐碩的成果。文獻(xiàn)[11]研究了砂巖在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特征。文獻(xiàn)[12]得到了砂巖在周期荷載作用下的聲發(fā)射特征。文獻(xiàn)[13]得到了側(cè)限壓縮條件下花崗巖聲發(fā)射特征。文獻(xiàn)[14]分析了粉砂巖在卸荷條件下的聲發(fā)射特征。然而，在巖石蠕變聲發(fā)射方面卻鮮有報(bào)道。正如孫鈞院士指出[15]：“聲發(fā)射的產(chǎn)生與巖石的蠕變損傷有關(guān)，但尚缺乏建立二者之間的量化關(guān)系，如何更好地利用聲發(fā)射信號對蠕變破壞行為進(jìn)行分析研究，采用聲發(fā)射對巖石蠕變破壞進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報(bào)，是一項(xiàng)當(dāng)務(wù)之急?！?/p>

本文對紅砂巖進(jìn)行了分級循環(huán)加卸載條件下的蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了在各級加載中巖樣的蠕變特征，進(jìn)而研究了減速蠕變、勻速蠕變、加速蠕變?nèi)齻€(gè)階段的聲發(fā)射振幅與能量的變化特征，從而討論了試件在不同蠕變階段微裂紋的演化特征。

1 試驗(yàn)條件與方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT－150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、北京聲華興業(yè)科技有限公司研制的SAEU2S數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)和北戴河電氣自動化研究所研制的BZ2005C靜態(tài)應(yīng)變儀組成。其中RMT－150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)最大荷載為1000kN，活塞行程50mm，機(jī)架剛度5×106N·mm－1。SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)為多通道構(gòu)成的聲發(fā)射系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)采集聲發(fā)射信號。BZ2005C靜態(tài)應(yīng)變儀靈敏度系數(shù)為2.0，量程為19999με，最小采樣間隔20s，最大存儲量為99個(gè)應(yīng)變數(shù)據(jù)。

1.2 巖樣的制備

本次試驗(yàn)所采用的巖石為紅砂巖，巖石經(jīng)鉆取、切割、打磨后，共制得20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件。其中，10個(gè)試件用著單軸抗壓試驗(yàn)，剩余10個(gè)試件用于巖石蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)。巖樣密度為2427kg／m3，彈性模量10.048GPa，泊松比為0.288。

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)方式采用分級循環(huán)加卸載，見圖1。根據(jù)單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)共分5級加載，分別為60kN、80kN、100kN、120kN、140kN。其中，第一級荷載與第五級荷載分別約為試樣在單軸壓縮狀態(tài)下破壞荷載的40%與90%。試驗(yàn)過程中，同時(shí)采集并保存聲發(fā)射參數(shù)與波形文件。前期試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明：在前四級加載過程中，減速蠕變階段持續(xù)的時(shí)間約為1小時(shí)。而后，巖石處于等速蠕變階段，聲發(fā)射特征參數(shù)總體表現(xiàn)為平穩(wěn)變化。在第五級加載過程中，減速蠕變階段持續(xù)的時(shí)間小于前四級加載，并且在2～3小時(shí)內(nèi)，巖石進(jìn)入加速蠕變階段，并最終發(fā)生蠕變破壞。因此，擬定當(dāng)荷載到達(dá)各級加載設(shè)定值后，穩(wěn)定壓力的時(shí)間控制在2～3小時(shí)，不僅能完整采集到在各級加載過程中，不同蠕變階段所對應(yīng)的聲發(fā)射參數(shù)與波形，也可降低因數(shù)據(jù)量太大給存儲與后期分析帶來的不便。之后，對試件進(jìn)行完全卸載。待試件彈性恢復(fù)2小時(shí)后，進(jìn)行下級加載。試驗(yàn)中，加載速率與卸載速率均為0.2kN／s。試驗(yàn)中，為防止應(yīng)變片在試驗(yàn)過程中失效，在試件軸向中間部位布置3組相互垂直應(yīng)變片，用于監(jiān)測蠕變過程中橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變。由于，受到應(yīng)變儀最大存儲量的限制，試驗(yàn)中局部時(shí)間段沒有進(jìn)行應(yīng)變采集。聲發(fā)射傳感器同樣布置在試件軸向中間部位，耦合劑為黃油。聲發(fā)射采樣長度設(shè)置為2048Byte，采樣頻率1000kHz，前放增益為43dB。聲發(fā)射傳感器型號為SR150M，工作頻率為60k～400kHz，中心頻率為150kHz。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)與加載方式

2 結(jié)果分析

2.1 軸向與橫向蠕變特征

本次試驗(yàn)共對10個(gè)試件進(jìn)行了蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，其中完整采集了5個(gè)試件蠕變?nèi)^程應(yīng)變數(shù)據(jù)，其他5個(gè)試件在加載過程中破壞。巖石蠕變特征與加載應(yīng)力水平和載荷持續(xù)時(shí)間有關(guān)。在低應(yīng)力水平，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，巖石可能只出現(xiàn)減速蠕變或減速蠕變與等速蠕變階段。此時(shí)巖石應(yīng)變速率隨時(shí)間的增大而減小。而后，其數(shù)值基本穩(wěn)定在某一常數(shù)，并且該常數(shù)可能為零。當(dāng)加載應(yīng)力大于某一數(shù)值時(shí)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，巖石可能出現(xiàn)較為完整的蠕變?nèi)A段，此時(shí)巖石應(yīng)變速率隨加載時(shí)間增大，總體呈現(xiàn)先減小，而后穩(wěn)定，最后增大的趨勢；當(dāng)加載應(yīng)力相對較大時(shí)，巖石甚至直接進(jìn)入加速蠕變階段，并導(dǎo)致巖石破壞。本文定義紅砂巖時(shí)間－應(yīng)變曲線直線段所對應(yīng)的時(shí)間區(qū)間為等速蠕變階段（Ⅱ）。該直線段的斜率的即為巖石在等速蠕變階段的應(yīng)變速率。減速蠕變階段（Ⅰ）定義為穩(wěn)定壓力起始時(shí)刻至?xí)r間－應(yīng)變曲線直線段起點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間區(qū)間；相應(yīng)的加速蠕變階段（Ⅲ）定義為時(shí)間－應(yīng)變曲線直線段終點(diǎn)時(shí)刻至穩(wěn)定壓力終止時(shí)刻所對應(yīng)的時(shí)間區(qū)間。通過對各試件的對比分析，本文選取典型試件（7＃試件）進(jìn)行相關(guān)論述。圖2給出7＃試件在各級加載蠕變過程中，軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變曲線。從圖2中可以看出：當(dāng)試件不出現(xiàn)加速蠕變階段時(shí)，減速蠕變階段所對應(yīng)的應(yīng)變增量明顯大于等速蠕變階段對應(yīng)的應(yīng)變增量。在低應(yīng)力水平，橫向應(yīng)變速率幾乎等零，其數(shù)值明顯小于軸向應(yīng)變速率。說明此時(shí)巖石試件橫向蠕變不明顯，試件以軸向蠕變?yōu)橹鳎妶D2（a）、圖2（b）。當(dāng)加載應(yīng)力為100kN時(shí)，橫向蠕變逐漸顯現(xiàn)，并且在等速蠕變階段的應(yīng)變速率基本與軸向應(yīng)變相當(dāng)，見圖2（c）。隨著加載應(yīng)力的增大，試件軸向與橫向應(yīng)變速率也相應(yīng)的增大，并且軸向應(yīng)變速率顯著大于軸向應(yīng)變速率，見圖2（d）。當(dāng)試件出現(xiàn)加速蠕變，并最終導(dǎo)致試件破壞時(shí)，橫向蠕變數(shù)值的增幅大于軸向蠕變數(shù)值的增幅，說明在加速蠕變階段，試件存在較為明顯的擴(kuò)容現(xiàn)象，見圖2（e）。另外，從圖2可以發(fā)現(xiàn)：橫向應(yīng)變進(jìn)入等速蠕變階段所對應(yīng)的時(shí)刻要早于軸向蠕變。

圖3給出了4＃試件應(yīng)變－時(shí)間曲線，通過與7＃試件對比分析可知：在前四級加載過程中，4＃試件的軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的變化規(guī)律與7＃試件相似。即表現(xiàn)為在低應(yīng)力水平，試件橫向蠕變不明顯，主要以軸向蠕變?yōu)橹?；隨著加載應(yīng)力水平的增大，試件橫向蠕變逐漸顯現(xiàn)，并且橫向應(yīng)變速率大小由不斷趨近軸向應(yīng)變速率，發(fā)展為大于軸向應(yīng)變速率（圖3（c）、圖3（d））。圖3（e）顯示，在加載應(yīng)力為140kN時(shí)，4＃試件整個(gè)蠕變過程歷時(shí)相對較短，試件幾乎不存在減速蠕變與等速蠕變階段，而是當(dāng)壓力穩(wěn)定后，直接進(jìn)入加速蠕變階段并最終導(dǎo)致試件破壞。因此，本文沒有對4＃試件在加載應(yīng)力為140kN時(shí)的蠕變各階段進(jìn)行劃分。

圖2 7＃試件應(yīng)變－時(shí)間曲線

2.2 不同蠕變階段聲發(fā)射特征

本文對各試件在蠕變?nèi)^程進(jìn)行了全程聲發(fā)射監(jiān)測。試驗(yàn)結(jié)果表明：試件在減速蠕變、等速蠕變與加速蠕變階段均具有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象。在聲發(fā)射分析中，聲發(fā)射振幅、能量、振鈴計(jì)數(shù)是常用的三個(gè)聲發(fā)射特征參數(shù)。由于聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)受試驗(yàn)中所設(shè)置的門檻的影響。因此本文僅對聲發(fā)射振幅與能量進(jìn)行了分析。圖4為11＃試件在各級加載過程中聲發(fā)射振幅變化曲線。從圖4中可以看出：在減速蠕變階段，聲發(fā)射振幅隨加載時(shí)間的增長呈現(xiàn)較為明顯的減小趨勢，并且減速蠕變初期振幅數(shù)值較大；在等速蠕變階段，聲發(fā)射振幅隨時(shí)間的增長其數(shù)值相對平穩(wěn)，但仍有減小的趨勢；同時(shí)，在減速蠕變與等速蠕變過程中，聲發(fā)射振幅數(shù)值偶爾出現(xiàn)較大幅度的躍遷；在加速蠕變階段，聲發(fā)射振幅出現(xiàn)突然躍遷的次數(shù)明顯增大，聲發(fā)射振幅最大值出現(xiàn)在試件加速蠕變的后期。與圖4對應(yīng)，圖5給出了11＃試件在各級加載過程中聲發(fā)射能量變化曲線。

圖3 4＃試件應(yīng)變－時(shí)間曲線

圖4 11＃試件聲發(fā)射振幅－時(shí)間曲線

圖5 11＃試件聲發(fā)射能量－時(shí)間曲線

由圖5中可知：聲發(fā)射能量曲線的變化趨勢與聲發(fā)射振幅曲線變化趨勢相似。即在減速蠕變階段，聲發(fā)射能量隨加載時(shí)間的增長而逐步減?。辉诘人偃渥冸A段，聲發(fā)射能量隨時(shí)間的增長其數(shù)值相對平穩(wěn)；在加速蠕變階段，聲發(fā)射能量突然大幅度增大的次數(shù)增多，聲發(fā)射能量最大值出現(xiàn)在試件加速蠕變的后期。

2.3 微裂紋演化特征

聲發(fā)射參數(shù)的變化特征是試件微裂紋演化行為的體現(xiàn)。表1和表2列出了試件在不同應(yīng)力水平下的不同蠕變階段聲發(fā)射振幅與能量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明，在減速蠕變階段不論是聲發(fā)射振幅還是聲發(fā)射能量的均值與方差都大于等速蠕變階段。說明在減速蠕變階段試件的微破裂尺度不僅大；而且這種大尺度的破裂更具復(fù)雜性與突發(fā)性，微裂紋演化存在不確定性；在等速蠕變階段，微破裂尺度小，并且微裂紋演化趨于穩(wěn)定。結(jié)合減速蠕變與等速蠕變的應(yīng)變變化特征，可以認(rèn)為在不發(fā)生加速蠕變的情況下，試件損傷主要產(chǎn)生于減速蠕變階段。在加速蠕變階段，相對于能量均值與方差較減速蠕變、等速蠕變階段有大幅度提升，振幅均值增幅不明顯，但振幅方差有相對大幅度的增加。說明在加速蠕變階段，微破裂在更大的尺度范圍內(nèi)發(fā)生，微裂紋演化進(jìn)入非穩(wěn)定破裂階段。需說明的是：4＃試件在第五級加載過程中整個(gè)蠕變歷時(shí)較短，試件蠕變?nèi)A段并不明顯，因此沒有對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；另外，10＃試件在第四級加載以及12＃試件在第五級蠕變前期沒有對其進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測，所以也沒有對它們進(jìn)行分析。

表1 蠕變過程聲發(fā)射振幅統(tǒng)計(jì)

表2 蠕變過程聲發(fā)射能量統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

1）在不同應(yīng)力水平下，試件橫向蠕變特征具有一定的差異性。在低應(yīng)力水平，試件橫向蠕變不明顯，軸向蠕變占主導(dǎo)地位；隨著應(yīng)力水平的提高，橫向蠕變速率有較大幅度的增大；當(dāng)試件發(fā)生蠕變破壞時(shí)，橫向蠕變數(shù)值增大的幅度大于軸向蠕變。說明在加速蠕變階段，試件存在較為明顯的擴(kuò)容現(xiàn)象。

2）在減速蠕變、等速蠕變與加速蠕變階段，聲發(fā)射振幅與能量具有不同的特征。在減速蠕變階段，聲發(fā)射振幅與能量隨加載時(shí)間的增大而減??；在等速蠕變階段，聲發(fā)射振幅與能量數(shù)值基本平穩(wěn)（略有減小的趨勢）；在加速蠕變階段，聲發(fā)射振幅與能量出現(xiàn)突然大幅度躍遷的頻率增大，振幅與能量的最大值位于加速蠕變階段的末期。

3）在不同蠕變階段，微裂紋有不同的演化特征。在減速蠕變階段，聲發(fā)射振幅與能量的均值與方差大于等速蠕變，說明在減速蠕變階段，微破裂的尺度大，微裂紋演化相對復(fù)雜；而在等速蠕變階段，微破裂尺度大小相對一致，微裂紋處于穩(wěn)定的發(fā)展中；在加速蠕變階段，聲發(fā)射能量均值與方差和聲發(fā)射振幅方差，明顯大于減速蠕變與等速蠕變階段，說明此階段微破裂在更大的尺度范圍內(nèi)發(fā)生，微裂紋演化處于非穩(wěn)定的破裂中。同時(shí)也說明，在試件蠕變過程中，試件損傷主要發(fā)生在減速蠕變與加速蠕變階段。

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