梅志恒,石 凱,張俊思,毛 勇
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.中國(guó)五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430074;3.大冶有色金屬有限責(zé)任公司豐山銅礦,湖北 黃石 435000)
采用DRA法測(cè)量時(shí),應(yīng)變差-應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置有時(shí)難以辨識(shí);不同測(cè)量加載循環(huán)的DRA曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置可能不同。為提高DRA轉(zhuǎn)折點(diǎn)辨識(shí)結(jié)果的可靠性,K.Yamamoto等[1-3]通常將各應(yīng)變差-應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)分布較集中區(qū)間對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為DRA轉(zhuǎn)折點(diǎn);謝強(qiáng)等[4]則結(jié)合巖樣的聲發(fā)射特征確定DRA轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置。上述研究成果有助于DRA轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置的確定,但尚未排除各循環(huán)之間應(yīng)變差-應(yīng)力曲線DRA轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置不同對(duì)辨識(shí)過程的干擾。為此本文擬從巖石應(yīng)力記憶的形成機(jī)制入手,結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)開展巖石變形記憶效應(yīng)的研究,從而確定不同循環(huán)應(yīng)變差曲線DRA轉(zhuǎn)折點(diǎn)與巖石先前所受最大應(yīng)力σm之間的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上提出了適宜的DRA數(shù)據(jù)處理方法。
實(shí)驗(yàn)樣品取自某金屬礦山地表垂直勘探鉆孔,平均埋深1010m,為新鮮完整大理巖。巖芯取出后用塑料袋密封包裝。根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,將巖芯制備成直徑50mm、高100mm的標(biāo)準(zhǔn)試件,精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)驗(yàn)前對(duì)試件的密度(ρ)、抗拉強(qiáng)度(UTS)、抗壓強(qiáng)度(UCS)、彈性模量(Es)、泊松比(Vs)、黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角()等基本物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果匯總見表1。
表1 大理巖試件的基本物理力學(xué)參數(shù)
試件加載采用MTS 815電液伺服測(cè)試系統(tǒng)。試件的軸向及環(huán)向變形采用軸向引伸計(jì)和環(huán)向引伸計(jì)測(cè)量。巖樣受載過程的聲發(fā)射現(xiàn)象采用美國(guó)物理聲學(xué)公司的PCI-II型聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。4個(gè)聲發(fā)射探頭及軸向、環(huán)向引伸計(jì)依次安裝完畢,在巖樣端面與壓頭之間均勻涂抹凡士林,以減少端面摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,放置好巖樣后即可開始實(shí)驗(yàn)[5]。為準(zhǔn)確測(cè)得實(shí)驗(yàn)過程中巖樣的應(yīng)變及聲發(fā)射參數(shù),引伸計(jì)及聲發(fā)射探頭的安裝位置應(yīng)距巖石端面10mm以上,且保證對(duì)稱安裝。
實(shí)驗(yàn)分2組進(jìn)行,每組含3個(gè)大理巖試件。第一組開展單軸等幅循環(huán)加載實(shí)驗(yàn),第二組開展單軸分級(jí)循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)。各組加載循環(huán)均為4次。為避免“摩擦型”聲發(fā)射[6]及時(shí)間效應(yīng)[1]導(dǎo)致的“記憶衰退”對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生的影響,在加載循環(huán)之前對(duì)巖樣實(shí)施預(yù)加載,預(yù)加載循環(huán)峰值應(yīng)力約等于巖石在地殼中對(duì)應(yīng)埋深處的垂向地應(yīng)力量值。
根據(jù)礦區(qū)前期地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果,埋深1010m時(shí)垂向應(yīng)力σm約28MPa。為使巖樣達(dá)到該應(yīng)力狀態(tài),需施加的軸向力約為55kN。采用DRA法測(cè)量時(shí),各測(cè)量加載循環(huán)的峰值應(yīng)力應(yīng)大于巖石在地殼中曾經(jīng)所受最大應(yīng)力σm,且該加載應(yīng)力不應(yīng)使巖石發(fā)生擴(kuò)容顯現(xiàn)。結(jié)合大理巖單軸抗壓強(qiáng)度和巖石所在埋深處的地應(yīng)力量值,等幅循環(huán)加載中各循環(huán)的峰值載荷依次設(shè)定為55,85,85,85,85kN;分級(jí)循環(huán)加載中各循環(huán)的峰值載荷依次設(shè)定為55,75,95,115,135kN。各循環(huán)均以0.1kN/s的速率力控加載,實(shí)驗(yàn)過程中同步監(jiān)測(cè)巖樣的應(yīng)力、應(yīng)變及聲發(fā)射特征。濕度等其他可能會(huì)影響結(jié)果的參數(shù)均控制不變。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,2組試驗(yàn)中各樣品的變形及聲發(fā)射特征具有較好的一致性。為獲得巖石對(duì)應(yīng)力的記憶機(jī)制,選取等幅循環(huán)加載中的典型試樣T1和分級(jí)循環(huán)加載中的典型樣品T2,對(duì)比分析兩種加載模式下同一樣品各加載循環(huán)之間實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差異,揭示并闡述巖石的“變形記憶”機(jī)制,進(jìn)而獲得合適的DRA數(shù)據(jù)處理方法。
試件T1,T2均包含5個(gè)加卸載循環(huán),即1個(gè)預(yù)加載循環(huán)和4個(gè)測(cè)量加載循環(huán)。為便于表述,將各循環(huán)依次記為C1~C5,第Ci循環(huán)和第Cj循環(huán)的應(yīng)變差-應(yīng)力曲線記為L(zhǎng)(j-i)(i<j)。將實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)的應(yīng)力、聲發(fā)射能量、累計(jì)計(jì)數(shù)及時(shí)間等參數(shù)繪成圖1所示的應(yīng)力-時(shí)間-聲發(fā)射特征曲線。
聲發(fā)射與巖樣受載過程的變形和破壞密切相關(guān)。當(dāng)巖石內(nèi)部發(fā)生已有微裂紋擴(kuò)展或產(chǎn)生新裂紋時(shí),聲發(fā)射能量曲線的振幅與累計(jì)計(jì)數(shù)曲線的斜率會(huì)陡然增大。王小瓊等[6]認(rèn)為,當(dāng)加載應(yīng)力未超過巖石曾經(jīng)所受最大應(yīng)力σm時(shí),巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)面之間的摩擦滑動(dòng)也可能產(chǎn)生低能量聲發(fā)射。因C1循環(huán)的預(yù)加載有效抑制了摩擦型聲發(fā)射的產(chǎn)生,使得試件T1和T2在C2循環(huán)加載應(yīng)力未超過σm時(shí)幾乎不產(chǎn)生聲發(fā)射,如圖1所示。后續(xù)循環(huán)中只有當(dāng)加載應(yīng)力超過上一循環(huán)峰值應(yīng)力時(shí)才出現(xiàn)明顯聲發(fā)射現(xiàn)象,表現(xiàn)出良好的Kaiser效應(yīng)。
將圖1中各測(cè)量加載循環(huán)剛開始出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象的時(shí)間點(diǎn)作為Kaiser效應(yīng)點(diǎn),各Kaiser效應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-時(shí)間曲線上的縱坐標(biāo)σKaiser即為巖石記憶的之前循環(huán)的峰值加載應(yīng)力。各σKaiser應(yīng)力量值匯總見表2。
圖1 大理巖試件應(yīng)力-時(shí)間-聲發(fā)射特征曲線
表2 各試件不同循環(huán)Kaiser效應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值
巖石在外力作用下發(fā)生彈性和非彈性變形。若外加載荷卸去后該變形能恢復(fù),則其為彈性變形,否則為非彈性變形。為研究非彈性變形對(duì)大理巖地應(yīng)力記憶的影響,將試件T1循環(huán)加載過程的應(yīng)力、應(yīng)變和聲發(fā)射數(shù)據(jù)處理后繪成圖2所示曲線。軸向應(yīng)變-時(shí)間曲線各峰、谷值點(diǎn)坐標(biāo)匯總見表3。根據(jù)表3繪制各循環(huán)谷值應(yīng)變-時(shí)間曲線,詳見圖2(b)。圖2(c)給出了T1試件C2和C3循環(huán)的軸向應(yīng)變-應(yīng)力曲線。將同一應(yīng)力對(duì)應(yīng)的不同循環(huán)的軸向應(yīng)變相減,繪成圖4(d)所示軸向應(yīng)變差-應(yīng)力曲線。該曲線表征的即是巖樣在2個(gè)加載循環(huán)過程中非彈性變形的變化。
圖2 大理巖試件T1的變形和聲發(fā)射特征
表3 T1試件軸向應(yīng)變-時(shí)間曲線各峰、谷值點(diǎn)坐標(biāo)
對(duì)比分析圖3(a)與圖3(a)后發(fā)現(xiàn),隨著加載進(jìn)行,應(yīng)力均勻增加,巖樣的軸向應(yīng)變呈近線性增加。軸向應(yīng)變-時(shí)間曲線中各加載階段的斜率逐漸降低,說(shuō)明壓密階段較線彈性階段和裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段發(fā)生的變形量更大,從而導(dǎo)致巖樣早期加載較后期加載更容易發(fā)生軸向變形。
由表3可知,C2~C5循環(huán)峰值應(yīng)變均在3.06×10-3左右,表明當(dāng)各循環(huán)峰值加載應(yīng)力相同時(shí),巖樣軸向變形程度相同。而各循環(huán)卸荷回彈后的軸向應(yīng)變隨等幅循環(huán)加載次數(shù)的增多呈逐漸增大趨勢(shì)(見圖2(b)中BD段),說(shuō)明該過程產(chǎn)生了不可逆的非彈性變形。由于C3~C5循環(huán)加載應(yīng)力未超過C2循環(huán)峰值應(yīng)力,且此階段只有零星聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生,可認(rèn)為該非彈性變形與巖石內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)展無(wú)關(guān),是由于巖石局部單元的損傷所致。本文將其稱為I類非彈性變形。而C2循環(huán)加載應(yīng)力超過C1循環(huán)峰值應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生了大量聲發(fā)射現(xiàn)象,且C1和C2循環(huán)卸荷回彈后的應(yīng)變差(AB段)較C3~C5循環(huán)中兩相鄰循環(huán)卸荷回彈后的應(yīng)變差(BC段和CD段)大幅增加??烧J(rèn)為該過程產(chǎn)生的非彈性變形除I類非彈性變形外,另一部分是由已有微裂紋的擴(kuò)展或產(chǎn)生新裂紋所致。本文將與微裂紋產(chǎn)生或擴(kuò)展有關(guān)的非彈性變形稱為II類非彈性變形。
C2~C5循環(huán)為測(cè)量加載循環(huán),L(3-2),L(4-2)和L(5-2)應(yīng)變差-應(yīng)力曲線在預(yù)加載應(yīng)力量值附近出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折,而L(4-3),L(5-3)及L(5-4)曲線整體無(wú)明顯轉(zhuǎn)折。基于巖石的2類非彈性變形對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析:C3,C4和C5循環(huán)加載應(yīng)力均未超過C2循環(huán)峰值應(yīng)力,此階段僅產(chǎn)生一定程度的I類非彈性變形。而C2循環(huán)加載過程不僅產(chǎn)生I類非彈性變形,當(dāng)加載應(yīng)力超過預(yù)加載循環(huán)峰值應(yīng)力σm時(shí),微裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致大量II類非彈性變形的產(chǎn)生。因此,在加載應(yīng)力達(dá)到σm時(shí),C2循環(huán)產(chǎn)生的非彈性變形遠(yuǎn)大于C3~C5循環(huán)產(chǎn)生的非彈性變形,從而導(dǎo)致C3~C5循環(huán)與C2循環(huán)之間的應(yīng)變差-應(yīng)力曲線在σm處出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折。而C3~C5循環(huán)中各循環(huán)產(chǎn)生的I類非彈性變形程度相當(dāng),所以其中任意2個(gè)循環(huán)之間的應(yīng)變差-應(yīng)力曲線均無(wú)明顯轉(zhuǎn)折。
上述分析表明:巖石內(nèi)部已有微裂紋的擴(kuò)展或產(chǎn)生新裂紋導(dǎo)致的II類非彈性變形與巖石地應(yīng)力記憶的形成密切相關(guān)。巖石的地應(yīng)力記憶是對(duì)地應(yīng)力作用下在巖石內(nèi)部形成的微裂紋尺寸的記憶。當(dāng)測(cè)量加載應(yīng)力超過地應(yīng)力σm時(shí),裂紋尺寸發(fā)生改變導(dǎo)致的II類非彈性變形可用于DRA法地應(yīng)力測(cè)量。
然而,L(4-3),L(5-3),L(5-4)等應(yīng)變差-應(yīng)力曲線在實(shí)際測(cè)量過程中也可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)折[1],從而會(huì)混淆DRA轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置的辨識(shí)。因此,適宜的DRA數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)為:僅采用各后續(xù)測(cè)量加載循環(huán)與首次測(cè)量加載循環(huán)之間的應(yīng)變差-應(yīng)力曲線進(jìn)行分析。實(shí)際測(cè)量過程中,L(3-2),L(4-2)和L(5-2)應(yīng)變差-應(yīng)力曲線DRA轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置及其明顯程度不盡相同,可將各DRA曲線測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值作為該埋深處的地應(yīng)力量值。
為提高DRA法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度和可靠性,本文從巖石應(yīng)力記憶的形成機(jī)制入手,結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)開展巖石變形記憶效應(yīng)的研究。所得結(jié)論如下。
(1)巖石存在2類非彈性變形。第I類是由加載應(yīng)力未超過巖石之前所受最大應(yīng)力σm時(shí)的局部單元損傷所致;第II類是由加載應(yīng)力超過σm時(shí)巖石內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生或擴(kuò)展所致。第II類非彈性變形與巖石應(yīng)力記憶的形成密切相關(guān)。
(2)當(dāng)加載應(yīng)力超過巖石曾經(jīng)所受最大應(yīng)力,使得巖石內(nèi)部微裂紋尺寸發(fā)生改變時(shí),原應(yīng)力記憶將會(huì)被抹去而形成新的應(yīng)力記憶。
(3)提出了DRA數(shù)據(jù)的合理處理方法:采用后續(xù)各測(cè)量加載循環(huán)與首次測(cè)量加載循環(huán)的應(yīng)變差-應(yīng)力曲線進(jìn)行辨識(shí)。該方法能夠有效避免L(4-3),L(5-3),L(5-4)等與應(yīng)力記憶無(wú)關(guān)的DRA曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)DRA法辨識(shí)過程的干擾。