單軸循環(huán)加卸載條件下大理巖力學(xué)以及聲發(fā)射特征研究

藕明江，周宗紅，王友新，王大明

（1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.新疆阿克蘇塔河礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 阿克蘇 842000）

0 引言

在礦業(yè)開采過程中，特別是在埋深較大的地下進(jìn)行施工作業(yè)，常常會(huì)使工程巖體處于一個(gè)類似循環(huán)加卸載的應(yīng)力環(huán)境，如爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波對(duì)圍巖體以及支護(hù)設(shè)備的作用、硐室的開挖以及支護(hù)、地質(zhì)構(gòu)造作用等等，會(huì)對(duì)巖石的強(qiáng)度以及變形有著不同程度的影響，對(duì)地下施工人員的安全以及設(shè)備財(cái)產(chǎn)帶來很大威脅。正因?yàn)槠湓趯?shí)際工程中的普遍性和威脅性，使其受到廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，對(duì)實(shí)際工程施工具有重大的指導(dǎo)意義。

夏冬等[1]對(duì)閃長巖試件進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載力學(xué)試驗(yàn)及聲發(fā)射試驗(yàn)，探討了循環(huán)加卸載作用下干燥與飽和巖石失穩(wěn)破壞的前兆規(guī)律；左建平[2]研究了煤巖組合體分級(jí)加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與單軸作用相比，分級(jí)加卸載作用下煤巖組合體的破壞更為破碎，并且?guī)r體的破壞以脆性為主；宋杰[3]對(duì)循環(huán)加卸載作用下巖石電阻率變化規(guī)律進(jìn)行了研究，表明巖石電阻率變化與荷載變化或試件內(nèi)微裂隙發(fā)展密切相關(guān)；王瑞紅等[4]基于三軸循環(huán)加卸荷試驗(yàn)，研究了不同圍壓、不同應(yīng)力狀態(tài)、不同卸荷量對(duì)砂巖變形特征及參數(shù)的影響；彭瑞東等[5]通過巖石三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，給出了基于能量分析的損傷變量定義及演化規(guī)律，可以較好地描述不同圍壓作用下的煤巖損傷演化程度；王昌等[6]通過對(duì)砂巖進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)，揭示了砂巖在循環(huán)加卸載過程中的強(qiáng)度變化及聲發(fā)射特征。Eberhardt[7-8]等通過單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)研究了脆性巖石的斷裂損傷特性。Mingwei Zhang[9]等采用軸向加載和軸向變形控制模式對(duì)6種圍壓下的砂巖進(jìn)行了三軸循環(huán)卸荷試驗(yàn)，得到了圍壓效應(yīng)在能量積累和耗散中的演化過程和分布規(guī)律。R.Yoshinaka[10]對(duì)飽和軟巖進(jìn)行循環(huán)三軸試驗(yàn)，研究了軟巖力學(xué)性質(zhì)的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。實(shí)際的工程巖體所受到的循環(huán)加卸載作用是十分復(fù)雜的，存在多種不同的應(yīng)力環(huán)境。前人進(jìn)行的室內(nèi)模擬試驗(yàn)是利用各種不同的應(yīng)力條件來模擬實(shí)際巖體所受到的加卸載作用。本文設(shè)定恒差值循環(huán)加卸載以及恒下限循環(huán)加卸載兩種應(yīng)力條件，以此模擬工程巖體所受的循環(huán)荷載作用。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)這兩種應(yīng)力條件下巖石力學(xué)以及聲發(fā)射特征的研究還較少，因此，本文的研究對(duì)工程施工有實(shí)際指導(dǎo)意義。

研究利用TAW—2000D電液伺服試驗(yàn)機(jī)以及裝有SDAES數(shù)字聲發(fā)射檢測儀對(duì)大理巖進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，每種應(yīng)力條件進(jìn)行多組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，剔除偏差較大的數(shù)據(jù)組。對(duì)剔除后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對(duì)大理巖的強(qiáng)度特征、變形特征以及聲發(fā)射特征進(jìn)行研究，以探討大理巖的破壞機(jī)制。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 試樣的制備

為了盡可能地減小試件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)所用試樣均是從同一塊完整性以及均質(zhì)性較好的大理巖取芯，加工為直徑50mm、高100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件，并對(duì)試件的端面進(jìn)行仔細(xì)研磨，不平行度和不垂直度分別在±0.05°和±0.25°以內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要在力學(xué)加載系統(tǒng)以及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)兩套設(shè)備上進(jìn)行。加載系統(tǒng)為數(shù)字控制式電液伺服試驗(yàn)機(jī)TAW—2000D，該系統(tǒng)主要由圍壓加載系統(tǒng)、控制柜、門框式剛性主機(jī)、系統(tǒng)油源和計(jì)算機(jī)等組成，可施加的最大軸向載荷為1 000 kN。聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)為SDAES數(shù)字聲發(fā)射檢測儀，該系統(tǒng)主要由電信號(hào)前置放大器、信號(hào)處理器以及計(jì)算機(jī)組成。在試驗(yàn)開始前，將聲發(fā)射換能器貼于試件中部用黃油進(jìn)行耦合，并用橡皮筋將其和巖樣固定，以盡可能地采集試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射信號(hào)。加載過程中，聲發(fā)射信號(hào)被聲發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送至前置放大器中，放大后再被傳送到信號(hào)處理器中進(jìn)行處理，處理后的信號(hào)會(huì)以聲發(fā)射振鈴以及能量等參數(shù)的形式在計(jì)算機(jī)上顯示出來。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Acoustic emission test system

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)以及2種方案的加卸載試驗(yàn)，即應(yīng)力下限恒定的分級(jí)循環(huán)加卸載以及應(yīng)力上下限差值恒定的分級(jí)循環(huán)加卸載。為了使巖樣端部與加載上盤緊密貼合，首先給巖樣2 kN的初始荷載，待巖樣和加載上盤貼合穩(wěn)定以后開始進(jìn)行2種加卸載試驗(yàn)。（1）應(yīng)力下限恒定的分級(jí)循環(huán)加卸載試驗(yàn)：以10MPa步長以及0.5 kN/s的加載速度對(duì)巖樣進(jìn)行軸向加載，每次加載至預(yù)設(shè)荷載值時(shí)以0.3 kN/s的卸載速度卸載至2 kN，如此反復(fù)加卸載直至巖樣破壞。（2）應(yīng)力上下限差值恒定的分級(jí)循環(huán)加卸載試驗(yàn)：以10MPa步長以及0.5 kN/s的加載速度對(duì)巖樣進(jìn)行加載，每次加載至預(yù)設(shè)荷載值時(shí)以0.3 kN/s的卸載速度進(jìn)行卸載，第一個(gè)循環(huán)卸載至2 kN，此后的每一次循環(huán)均卸載至上一個(gè)循環(huán)的峰值荷載值，如此反復(fù)加卸載直至巖樣破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)度分析

由于巖石存在非均質(zhì)性而導(dǎo)致個(gè)別試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大偏差，因此對(duì)其進(jìn)行剔除，保留趨勢較好、規(guī)律性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，單軸壓縮下巖樣的抗壓強(qiáng)度和2種加卸載下巖樣的抗壓強(qiáng)度有較大差別：單軸壓縮下的巖樣平均抗壓強(qiáng)度為51.36MPa，應(yīng)力下限恒定加卸載（記作方案1）下的巖樣平均抗壓強(qiáng)度為60.85MPa，相比單軸壓縮其強(qiáng)度增加了18.5%；應(yīng)力上下限差值恒定加卸載（記作方案2）下的巖樣平均抗壓強(qiáng)度為67.48MPa，相比單軸壓縮其抗壓強(qiáng)度增加了31.4%。

由結(jié)果可以看出，兩種方案對(duì)試件強(qiáng)度均有不同程度的提高。試驗(yàn)所用試件取自自然狀態(tài)的大理巖，內(nèi)部不可避免存在原生裂隙，試件在單軸壓縮條件下僅存在一個(gè)微裂隙壓密階段，而經(jīng)過循環(huán)加卸載試驗(yàn)，試件內(nèi)部的部分微裂隙被反復(fù)壓密閉合，進(jìn)而增大了試件的強(qiáng)度。在方案1中，試件在循環(huán)加卸載的加載階段，一部分微裂隙因加載應(yīng)力而閉合，但在卸載階段試件又被卸載至初始狀態(tài)，使得部分在加載階段被壓密閉合的微裂隙又由于卸載作用而恢復(fù)至張開狀態(tài)；方案2中，試件中的微裂隙同樣經(jīng)過加載階段被壓密閉合，但不同于方案1的是，試件在卸載階段是卸載至上一個(gè)循環(huán)的峰值應(yīng)力；相比于方案1，方案2中的試件在卸載階段仍有一個(gè)較大的壓應(yīng)力使裂隙維持著被壓密的閉合狀態(tài)，只有少量的微裂隙張開。因此，恒差值加卸載對(duì)巖石強(qiáng)度的增幅要大于恒下限加卸載。

2.2 變形分析

恒下限以及恒差值加卸載下試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2。圖2（a）發(fā)現(xiàn)存在較為明顯的滯回環(huán)現(xiàn)象，加載曲線和卸載曲線并不重合，呈中間寬兩端尖的柳葉狀。圖2（b）曲線近似直線而無明顯的滯回環(huán)現(xiàn)象。此現(xiàn)象表明恒下限加卸載下的試件在加卸載過程中存在較大部分的塑性變形，而恒差值加卸載下的試件在加卸載過程中絕大部分變形為彈性變形。大理巖是一種脆硬巖石，之所以會(huì)出現(xiàn)較大塑性變形主要原因是內(nèi)部微裂隙對(duì)變形產(chǎn)生影響。恒差值加卸載條件下，試件內(nèi)部微裂隙閉合程度較高，很少有因微裂隙的閉合而出現(xiàn)的應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象，因此試件的變形以彈性變形為主。對(duì)試件進(jìn)行恒下限加卸載，在每個(gè)循環(huán)的加載階段，

圖2 兩種加卸載條件下巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress and strain curves of rock samples under two loading and unloading conditions

試件內(nèi)部的部分原生微裂隙會(huì)由于加載作用而閉合，使試驗(yàn)機(jī)檢測的應(yīng)變大于實(shí)際應(yīng)變，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線呈些許下凹；卸載過程中，因荷載卸至0而使閉合的微裂隙部分恢復(fù)至張開狀態(tài)，使試驗(yàn)機(jī)檢測到的應(yīng)變大于實(shí)際應(yīng)變，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線呈上凸型，因此而形成滯回環(huán)。且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)逐漸向應(yīng)力增大方向移動(dòng)，同時(shí)其面積也有增大的趨勢，這一現(xiàn)象表明恒下限加卸載下試件的塑性變形會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增多而越來越大。

2.3 聲發(fā)射特征分析

巖石在循環(huán)加卸載過程中一直伴隨著原生裂隙的壓密以及新生裂隙發(fā)生、擴(kuò)展、貫通直至破壞，期間伴隨聲發(fā)射信號(hào)。恒下限加卸載以及恒差值加卸載巖樣的應(yīng)力-時(shí)間-AE振鈴數(shù)關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 兩種加卸載條件下應(yīng)力-時(shí)間-AE振鈴數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Stress-event-AE ringing counts relation curve of constant lower lim it cycle loading and unloading

由圖3可知，兩種方案在初期的循環(huán)中，只有少量的聲發(fā)射信號(hào)，巖石處于原生裂隙壓密階段。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，聲發(fā)射信號(hào)呈現(xiàn)逐級(jí)增加的趨勢，方案1和方案2的聲發(fā)射活躍期分別出現(xiàn)在第三個(gè)循環(huán)和第五個(gè)循環(huán)的峰值應(yīng)力附近，表明從該處開始出現(xiàn)由于軸向應(yīng)力增大而產(chǎn)生的新生裂隙，巖樣進(jìn)入破壞階段。由于大理巖結(jié)構(gòu)較為致密，聲發(fā)射信號(hào)主要來源于加載階段裂隙閉合以及新生裂隙發(fā)育而產(chǎn)生的彈性波，巖樣的細(xì)微結(jié)構(gòu)面在卸載過程中回彈張開產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)較少，因此圖中的聲發(fā)射信號(hào)活躍期大多集中在加載階段，卸載階段則為數(shù)不多。且聲發(fā)射活躍期均出現(xiàn)在大于上一循環(huán)應(yīng)力峰值階段，表現(xiàn)出良好的Kaiser效應(yīng)。同時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)方案1的AE振鈴計(jì)數(shù)總體要大于方案2，這一現(xiàn)象表明相比恒差值加卸載，恒下限加卸載下試件裂隙的發(fā)育程度更高，這也從另一角度解釋了為何恒差值加卸載下巖石有著更高的抗壓強(qiáng)度。

2.4 加卸載響應(yīng)比特征分析

加卸載響應(yīng)比（LURR）是由尹祥礎(chǔ)等人提出并應(yīng)用于地震預(yù)報(bào)的一種方法[11-13]。該方法是一種用于研究非線性系統(tǒng)失穩(wěn)先兆以及失穩(wěn)預(yù)報(bào)的代表性方法。加卸載響應(yīng)比值Y能夠定量的反映非線性系統(tǒng)趨近失穩(wěn)的程度，其計(jì)算公式為：

式中：X+和X-分別表示加載階段和卸載階段的響應(yīng)量。當(dāng)巖石處于未損傷的線彈性階段時(shí)，Y值較?。划?dāng)巖石出現(xiàn)損傷時(shí)，Y＞1且隨著損傷程度的增大而越來越大，在巖石臨近破壞時(shí)達(dá)到最大值。因此，加卸載響應(yīng)比的突變可以作為巖石失穩(wěn)先兆的判據(jù)。本文利用能量作為響應(yīng)，響應(yīng)比Y的計(jì)算公式可表示為：

式中：E為所釋放的能量，在試驗(yàn)中，當(dāng)m=1時(shí)，Em即為聲發(fā)射能量；i為各聲發(fā)射能量組對(duì)應(yīng)的編號(hào)；N+和N-分別表示加載和卸載階段所釋放聲發(fā)射能量的數(shù)目。

將試驗(yàn)過程中所記錄的聲發(fā)射能量通過公式（2）處理可得到加卸載響應(yīng)比Y隨循環(huán)次數(shù)的變化情況，如圖4所示。

由圖4可以看出，在前期較低應(yīng)力下的循環(huán)中，試件的LUUR穩(wěn)定在1附近，說明了試件的損傷程度較低，試件內(nèi)部有的僅僅是原生裂隙的壓密而沒有產(chǎn)生或僅產(chǎn)生極少數(shù)新生裂隙。隨著循環(huán)的進(jìn)行，軸向應(yīng)力越來越大，其對(duì)應(yīng)的LUUR也有所增大，表明試件隨著軸向應(yīng)力的增大出現(xiàn)局部損傷，趨于失穩(wěn)狀態(tài)。在試件臨近破壞前，LUUR出現(xiàn)急劇增大又突然回落的現(xiàn)象，之后試件發(fā)生宏觀破壞。此處需要指出的是，LUUR值并非是在試件破壞前的一個(gè)循環(huán)出現(xiàn)異常，而是在試件完全破壞之前的第2個(gè)循環(huán)出現(xiàn)大幅跳躍的，這一現(xiàn)象與前人研究的結(jié)果是相符的[14-17]。由此可知，LUUR可以反映巖石的損傷破壞過程，在破壞前第2個(gè)循環(huán)中出現(xiàn)劇增現(xiàn)象，反映了在峰值應(yīng)力附近巖石即將出現(xiàn)劇烈破壞這一先兆特征信息。因此LUUR的異常變化可以作為巖石即將失穩(wěn)的判據(jù)。從開始施加應(yīng)力到試件破壞的過程中，兩種方案下試件的LUUR隨循環(huán)次數(shù)的總體變化趨勢較為一致，但仍存在局部上的差異。

圖4 加卸載響應(yīng)比Y隨循環(huán)序列變化折線圖Fig.4 Value Y of LUUR versus cyclic sequence

在方案1中，前幾個(gè)循環(huán)的LUUR小于1，表明在此期間加載階段產(chǎn)生的聲發(fā)射能量小于卸載階段，巖樣內(nèi)部的損傷由卸載階段主導(dǎo)。隨著循環(huán)次數(shù)的增多，LUUR有增大的趨勢并大于1，表明加載階段的聲發(fā)射能量越來越多且最終超過卸載階段的聲發(fā)射能量，說明隨著循環(huán)次數(shù)的增多，巖樣內(nèi)部損傷逐漸由卸載階段主導(dǎo)轉(zhuǎn)為加載階段。在巖樣失穩(wěn)前的倒數(shù)第二個(gè)循環(huán)，LUUR出現(xiàn)劇增，表明加載階段的聲發(fā)射能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于卸載階段的聲發(fā)射能量，說明了巖樣內(nèi)部的損傷已經(jīng)完全由加載作用主導(dǎo)。隨著荷載的增大，最后一個(gè)循環(huán)中LUUR由前一循環(huán)的8.29跌至2.6，巖樣即將破壞。在方案2中，前兩個(gè)循環(huán)中LUUR小于1。隨著荷載的增大，在第三和第四個(gè)循環(huán)中，LUUR大于1且趨近于2。表明在加載的初期階段，加載階段的聲發(fā)射能量要小于卸載階段，說明巖樣內(nèi)部損傷由卸載階段主導(dǎo)；在荷載增大到第三和第四個(gè)循環(huán)，加載階段的聲發(fā)射能量要大于卸載階段，巖樣內(nèi)部的損傷開始由加載階段主導(dǎo)。相比方案1，方案2中由加載階段主導(dǎo)的損傷出現(xiàn)的更早。在第五個(gè)循環(huán)中，LUUR出現(xiàn)異常下跌，表明加載階段的損傷不一定隨著荷載的增大而增大，而可能會(huì)出現(xiàn)異常的加載“平靜期”。荷載持續(xù)增大，在第6和7個(gè)循環(huán)中，LUUR呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，最大值為25.44，表明加載階段的聲發(fā)射能量遠(yuǎn)大于卸載階段，說明巖樣內(nèi)部的損傷幾乎是在加載過程中產(chǎn)生的。經(jīng)過劇烈的增幅之后，LUUR又于第8個(gè)循環(huán)中跌落至0.05，巖樣即將破壞。

3 結(jié)論

相比單軸壓縮，恒下限和恒差值加卸載作用均能對(duì)巖樣的抗壓強(qiáng)度有一定的強(qiáng)化作用，強(qiáng)化增幅分別為18.5%和31.4%。恒差值加卸載對(duì)巖樣強(qiáng)度的增幅要更大，造成這一現(xiàn)象的原因是恒差值加卸載對(duì)巖石內(nèi)部裂隙的壓密閉合作用相比恒下限循環(huán)加卸載要更明顯。

恒差值加卸載下巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈近似直線狀，表明巖樣內(nèi)部微裂隙閉合程度較高而使其變形以彈性變形為主；恒下限加卸載下巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的滯回環(huán)，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)逐漸向右移動(dòng)，同時(shí)其面積也有增大的趨勢，表明巖樣塑性變形會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增多而越來越大。

聲發(fā)射活躍期對(duì)應(yīng)巖石內(nèi)部新生裂隙的發(fā)育期。相比恒差值加卸載，恒下限加卸載的聲發(fā)射活躍期更早，且AE振鈴計(jì)數(shù)總的來說要更大，反映出恒下限加卸載下巖樣內(nèi)部裂隙的發(fā)育程度相比恒差值加卸載要更高。

LUUR的異常變化可以作為巖石即將失穩(wěn)的判據(jù)。LUUR在兩種方案中隨荷載的變化有所不同，相比恒下限加卸載，恒差值加卸載條件下由加載階段主導(dǎo)的損傷來的要更早，且在破壞前LUUR的變化更加劇烈。

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