武夷山隧道圍巖破壞過程中的聲發(fā)射特性研究

黃玉仁,林朝陽,毛建喜,胡靜云

(1.廈門大學建筑與土木工程學院,福建廈門361005; 2.中鐵二十四局集團福建公司,福建福州350013;3.長沙礦山研究院,湖南長沙410012)

武夷山隧道圍巖破壞過程中的聲發(fā)射特性研究

黃玉仁1,2*,林朝陽1,毛建喜1,胡靜云3

(1.廈門大學建筑與土木工程學院,福建廈門361005; 2.中鐵二十四局集團福建公司,福建福州350013;3.長沙礦山研究院,湖南長沙410012)

在單軸加載條件下進行花崗巖和凝灰?guī)r試件加載破壞過程中聲發(fā)射(AE)特性試驗研究,得到巖石加載破壞過程中時間-應力-空間定位事件率、時間-應力-撞擊率和時間-應力定位事件能量率圖,并獲得累計定位事件、累計撞擊事件和累計定位事件能量.研究結果表明能量率與事件率和撞擊率相一致,均在巖石試件破壞前期有突增特性.結合這3個參數(shù)作為巖石破壞前兆,能為巖石失穩(wěn)破壞提供較好的參考依據(jù).根據(jù)巖石加載破壞過程中不同巖性的空間定位事件累計能量的量級特征,分析通過試驗為工程實際中圍巖體損傷程度進行實時監(jiān)測提供參數(shù)依據(jù)的科學可行性.

巖石力學;聲發(fā)射;能量率;破壞前兆;破壞類型;空間定位

聲發(fā)射(AE)是材料內(nèi)局部能量源快速釋放而產(chǎn)生瞬間彈性波的一種現(xiàn)象[1].該現(xiàn)象早在20世紀30年代就由美國礦山局的Obert發(fā)現(xiàn)并把AE技術運用于礦山礦體穩(wěn)定和巖爆監(jiān)測預報中[2],自那時起AE技術在國外巖土工程和礦山巖體穩(wěn)定性監(jiān)測方面得到推廣應用[3].為了在實際工程監(jiān)測預報中對巖體穩(wěn)定性及巖爆提供可靠的預警,國內(nèi)外許多學者通過室內(nèi)試驗研究巖石試樣加載破壞過程中AE特性.如Mogi[4-5]對巖石進行了大量AE試驗,探討了受壓巖石破裂過程中的AE特性,Lockner[2,6]通過AE技術在巖石加載破壞過程中的應用,探討了運用AE技術進行材料破壞失穩(wěn)機理研究,李庶林等[7]對巖石單軸受壓破壞全過程進行研究,提出了巖石峰值荷載破壞前的相對平靜期理論,Xie等[8]通過AE三維定位技術對巖石加載破壞過程進行研究,認為在荷載達到峰值強度的80%以上時破壞面已經(jīng)形成,紀洪廣等[9]研究了沖擊地壓事件AE與壓力耦合前兆特征,發(fā)現(xiàn)沖擊地壓發(fā)生前AE和壓力呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律,具有明顯的前兆特征和耦合規(guī)律.

本文以京福高鐵北武夷山段隧道圍巖所取出的具有典型代表性的花崗巖和凝灰?guī)r試樣為研究對象,分析研究這2種巖性在單軸加載過程中空間定位事件率、撞擊事件率和空間定位事件能量率變化規(guī)律,并結合能率和空間定位事件分布特征,研究巖石加載破壞過程中裂紋發(fā)展變化規(guī)律,分析巖石破壞失穩(wěn)發(fā)展過程及破壞機理,為隧道施工現(xiàn)場開展巖體穩(wěn)定性多通道微震監(jiān)測技術應用提供參數(shù)依據(jù).

1 試驗方法介紹

1.1 試件制備

該試驗選用取自京福高鐵北武夷山段隧道圍巖的花崗巖和凝灰?guī)r2種巖性試樣.按照試件加工標準和規(guī)程的要求,將花崗巖和凝灰?guī)r加工成規(guī)格為50 mm×50 mm×100 mm長方體試樣,制備后的巖石試樣如圖1所示.

1.2 試驗設備

該試驗采用加載和監(jiān)測2套系統(tǒng)相協(xié)調(diào)工作,加載系統(tǒng)采用WE-30型液壓式萬能材料試驗機,監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器、前置放大器、AE儀和計算機,其基本原理如圖2所示.

圖1 花崗巖與凝灰?guī)r巖石試樣Fig.1 Rock specimen of granite and tuff

圖2 室內(nèi)AE試驗系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of AE test system in laboratory

AE儀采用的是美國PAC公司第3代全數(shù)字化多通道SAMOS AE監(jiān)測系統(tǒng),其核心是并行處理PCI總線的AE功能卡PCI-8板,在一塊板上具有8個通道的實時AE特征提取、波形采集及處理的能力.

1.3 試驗過程

試驗過程中,要對AE事件進行定位,至少需要有4個以上傳感器接收到同一個AE事件所發(fā)出的彈性波.為了得到更好的定位效果,本試驗使用6個傳感器,采用對稱布置形式,上下端部布置在左右兩側(cè),中間布置在前后,其空間布置形式如圖3所示.

為加強傳感器與試件的耦合效果,傳感器與試件之間涂抹了適量黃油,并用橡膠帶將探頭牢牢固定在試件上.為消除上下端部摩擦和應力集中對AE的影響,在試件端部墊上一層具有吸聲作用的橡皮薄墊片并將傳感器安裝在距離端部15 mm處.門檻值設置為45 dB,采用模擬濾波器對噪聲進行過濾.試件安放好之后,通過加載設備對試件施加荷載,監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測、采集并儲存巖石試件加載過程中的特征參數(shù)變化,在試驗過程中時刻保持加載系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)在時間上同步.

圖3 傳感器布置圖Fig.3 Placement of sensors

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果描述

本次AE巖石試驗的試樣每種巖性各取3組,每組有3塊巖石.通過對這些巖石試樣單軸壓縮破壞過程中AE特性進行實時監(jiān)測,獲得每種巖性加載過程AE定位事件率圖、撞擊事件率圖和能量率圖.其中定位事件能量以(個)為計數(shù)單位,每個計數(shù)代表9.31× 10-22J.在實驗中,由于巖性和原生缺陷的影響,各巖石試樣加載過程中AE特性均存在差異,但是在加載破壞前期,卻表現(xiàn)出相似的規(guī)律特征,限于篇幅現(xiàn)選取比較典型的結果作分析說明.試件破壞后照片和試驗所得各參數(shù)與時間、應力關系分別如圖4和5所示.

圖4 巖石試驗后照片F(xiàn)ig.4 Photographs of rock after test

花崗巖在加載至峰值荷載時,角部掉塊破壞.從事件率圖(圖5(b))可以看出,該巖石試樣在荷載達到其破壞荷載86%時,事件率開始突增,撞擊率在達到破壞荷載87%時突增,能量率圖比較特殊,雖然事件率和撞擊率都是在835 s左右開始突增,但是僅有在920 s左右,空間定位事件能量突增,而后又恢復至較低水平,從應力水平分析,該荷載水平約為破壞荷載的94%.

圖5 花崗巖與凝灰?guī)r試驗結果圖Fig.5 Test result of granite and tuff

凝灰?guī)r在加載至峰值荷載時,突發(fā)縱向貫穿劈裂破壞.從事件率圖(圖5(e))可以看出,該巖石試樣在荷載達到其破壞荷載90%時,事件率開始突增,在差不多達到破壞荷載91%時發(fā)生撞擊率突增,從能量率圖可看出,該試樣共有3次較大能量突增,其中2次在破壞前,1次在破壞后,破壞后能量突增值相對于破壞前能量突增小,2次破壞前能量突增分別是在865, 974 s.從應力水平上看該試樣在達到破壞荷載的87%左右能量率突增.現(xiàn)將這兩類巖石試樣加載過程參數(shù)變化特征列表歸納如表1所示.

2.2 結果分析

表1 巖石試樣加載試驗參數(shù)特性Tab.1 Parameter property of rock sample under uniaxial loading

2.2.1 巖石破壞前兆AE特性分析

從圖5中可以看出,該試驗加載過程中,最大的特點就是參數(shù)突增.在初始加載壓密階段,事件率、撞擊率和能量率都保持在幾乎為0的水平,側(cè)面反映在巖石試件壓密階段并沒有裂紋壓縮閉合發(fā)生,巖石試樣密實無裂紋存在.應力為破壞荷載的20%～80%時對應于巖石加載變形彈性階段,該階段事件率和撞擊率保持在同一水平,并沒有隨應力增大而增大,說明裂紋發(fā)展與應力水平無關,而與應力增量相關,裂紋屬于穩(wěn)定萌生和擴展.進入塑性階段后裂紋發(fā)展處于不穩(wěn)定階段,在塑性階段某一時刻,事件率突然增加并且事件率和撞擊率在首次突增的量級基礎上持續(xù)了較長一段時間并在峰值荷載之后很快便恢復至較低水平,試件破壞均發(fā)生在峰值荷載.能量率與事件率和撞擊率不同,其突增之后具有不連續(xù)性,并沒有在突增之后的一段時間內(nèi)一直保持在同一個量級,而是突增之后又降低到較低水平并保持在較低水平.從表1中可以看出,在突增特性方面,事件率、撞擊率和能量率具有一致性,一般發(fā)生在應力水平達到了破壞應力的80%～95%內(nèi)突增的,該階段正好處于巖石加載過程中的塑性階段,并且參數(shù)特征變化明顯,具有很好的前兆特性.

從花崗巖的參數(shù)變化特征中可知,雖然有時事件率和撞擊率都很高,但是能量率卻未必很高;從凝灰?guī)r參數(shù)特征圖可以看出,在事件率和撞擊率并不高的情況下,能量率卻可以很高.事件率和撞擊率體現(xiàn)的是從量上衡量裂紋的萌生和擴展,而能量率體現(xiàn)的是裂紋在萌生和擴展過程中的破壞程度的大小,體現(xiàn)的裂紋發(fā)展上質(zhì)的情況.在實際工程中,如果僅僅是以事件率和撞擊率作為衡量指標,則有可能在本來事件率和撞擊率很低的時候突然上升進入偽突增階段就判定巖石即將發(fā)生破壞而產(chǎn)生誤判,如花崗巖撞擊率在200 s時候突增,有可能被判定為巖石破壞前兆;同樣也可能發(fā)生在能量率一直保持很低,突然增大進入偽突增階段而進行誤判,如凝灰?guī)r能量率圖中在500 s時有可能被誤判為突增點.但是,如果結合事件率、撞擊率和能量率進行考慮,在三者都達到突增的情況下,則說明在量和質(zhì)兩方面都達到了很大程度上的破壞,作為判定指標,它在很大程度上提高巖石破壞的判定準確性.

從累計能量值分析,花崗巖和凝灰?guī)r從加載到巖石試樣破壞由于巖性的不同,空間定位事件累計能量值相差很大,花崗巖釋放的能量約是凝灰?guī)r釋放的能量的4倍.雖然如此,從量級上分析,累計能量值均同在109這一量級上.空間定位事件累計能量很好地體現(xiàn)了巖石內(nèi)部裂紋發(fā)展破壞程度.在實際工程中,隧道中由于隧洞的開挖,洞內(nèi)圍巖體發(fā)生應力重分布,在重分布應力作用下,產(chǎn)生損傷、破壞.這類似于試驗中的巖石試塊在荷載作用下,裂縫萌發(fā)、發(fā)展并導致破壞.因此,在實際工程中對隧道圍巖AE特征進行監(jiān)控,依據(jù)巖石試塊室內(nèi)試驗中破壞所累計的能量作為參考依據(jù),根據(jù)AE累計能量作為圍巖體破壞程度和安全評價,具有科學合理可行性.

2.2.2 基于空間定位的巖石破壞模式分析

根據(jù)巖石破壞過程中能量率的變化特征,將巖石試樣空間定位事件分成3個階段,分別為能量率突增前階段、能量率突增階段和能量率突增后階段,這3個階段的定位事件空間分布分別如圖6和7所示.

可以看出,在突增前兩巖性試樣空間定位事件各有差異,凝灰?guī)r空間定位事件較少且隨機分布于試樣中間(圖7(a)),花崗巖空間定位事件較多且在試件中下部前方有集中分布(圖6(a)),說明該區(qū)域原生裂紋和缺陷較多.在突增階段2種巖性巖石試樣空間定位事件表現(xiàn)出相同特性,均分布于試樣中上部與中下部且較為集中.在突增后階段,空間定位事件仍表現(xiàn)出相同特性,分布在突增階段附近且數(shù)量眾多.在試驗過程中,巖石試樣中部定位事件一直較少,趙興東等[10]在不同巖石AE特性研究中也發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象,并提出了空白區(qū)理論,這實際是由于受試件的尺寸影響,在試件中部應力分布較為均勻,導致裂紋萌生擴展較其他部位少.李世愚等[11]在應用AE空間定位技術對巖石破裂機理進行研究中發(fā)現(xiàn)巖石受力破壞過程定位事件發(fā)展一般經(jīng)歷隨機分散、裂紋擴展、成核和貫通等階段,該試驗研究巖石破壞過程同樣經(jīng)歷這些階段,且試驗研究表明,在成核階段,巖石試樣所釋放的能量最高,對巖石失穩(wěn)破壞起關鍵作用.

圖6 花崗巖AE事件定位結果Fig.6 AE location results in granite samples

圖7 凝灰?guī)rAE事件定位結果Fig.7 AE location results in tuff samples

3 結 論

1)花崗巖和凝灰?guī)r破壞過程中AE特性各有差異,但在破壞前一階段具有相似特征,事件率、撞擊率和能量率均發(fā)生突增,可作為工程現(xiàn)場中預測圍巖體失穩(wěn)破壞的參考依據(jù).

2)能量率體現(xiàn)破裂事件大小,事件率和撞擊率體現(xiàn)破裂事件數(shù)量,將其結合起來能更好地判別工程圍巖體破壞程度.

3)巖石破裂失穩(wěn)是能量釋放過程,只有累積釋放能量達到一定程度,巖石才失穩(wěn)破壞,該特性可為圍巖體損傷評估提供參考依據(jù).

4)AE定位事件成核階段,破裂事件能量較大,使巖石各裂隙貫通,對巖石失穩(wěn)破壞起關鍵作用.

[1] ASTM International.ASTM E1316-10 standard terminology for nondestructive examinations[M].West Conshohocken,Pennsylvania:ASTM International,2003.

[2] Lockner D A.The role of acoustic emission in the study of rock failure[J].Int J Rock Mech Min Sci&Geomech Abstr,1993,30(7):883-899.

[3] 騰山邦久.聲發(fā)射(AE)技術的應用[M].馮夏庭,譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1996

[4] Mogi K.Experimental rock mechanics[M].London,UK: Taylor&Francis Group,2007:263-286.

[5] Mogi K.Study of elastic shocks caused by the fracture of heterogeneous materials and its relations to earthquake phenomena[J].Bulletin of the Earthquake Research Institute,1962,40(1):125-173.

[6] Lockner D A,Byerlee J D,Kuksenko V,et al.Quasi-static fault growth and shear fracture energy in granite[J].Nature,1991,350(7):39-42.

[7] 李庶林,尹賢剛,王泳嘉,等.單軸受壓巖石破壞全過程聲發(fā)射特征研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(15): 2499-2503.

[8] Xie H P,Liu J F,Ju X,et al.Fractal property of spatial distribution of acoustic emissions during the failure process of bedded rock salt[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2011,48(8):1344-1351.

[9] 紀洪廣,穆楠楠,張月征.沖擊地壓事件AE與壓力耦合前兆特征分析[J].煤炭學報,2013,38(A01):1-5.

[10] 趙東興,陳長華,劉建坡,等.不同巖石聲發(fā)射活動特性的實驗研究[J].東北大學學報,2008,29(11):1633-1636.

[11] 李世愚,和泰名,尹祥礎,等.巖石斷裂力學導論[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2010:278-297.

Studies on Acoustic Emission Characteristics of Tunnel Surrounding Rock of Wuyi Mountain

HUANG Xu-ren1,2*,LIN Chao-yang1,MAO Jian-xi1,HU Jing-yun3
(1.School of Architectural and Civil Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China; 2.Fujian Construction of China Railway 24th Bureau Group Co.,Ltd,Fuzhou 350013,China; 3.Changsha Institute of Mining Research,Changsha 410012,China)

Experiments on acoustic emission(AE)characteristics of complete granite and tuff failure process are carried out under uniaxial loading to obtain the relationship of time-stress-spatial orientation acoustic emission rates,time-stress-hit rates and timestress-acoustic emission energy rates,accumulative spatial orientation acoustic emission,accumulative hits and accumulative acoustic emission energy are obtained at the same time.Results show that hit rates,AE event rates and,energy rates have the same characteristics of uprush before rock failure,they can be used together as rock failure precursor to make an accurate prediction of rock burst. According to the order of magnitude of accumulative acoustic emission energy of different lithological character,it is scientific feasibility to use laboratory experiment results as parameter to perform real-time damage monitoring of ore pillars.

rock mechanics;acoustic emission;energy rate;failure precursor;failure types;spatial orientation

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.02.024

TU 45

A

0438-0479(2015)02-0292-05

2013-12-06 錄用日期:2014-05-11

*通信作者:664273531@qq.com

黃玉仁,林朝陽,毛建喜,等.武夷山隧道圍巖破壞過程中的聲發(fā)射特性研究[J].廈門大學學報:自然科學版,2015, 54(2):292-296.

:Huang Xuren,Lin Chaoyang,Mao Jianxi,et al.Studies on acoustic emission characteristics of tunnel surrounding rock of wuyi mountain[J].Journal of Xiamen University:Natural Science,2015,54(2):292-296.(in Chinese)