小浪底細(xì)砂巖單軸壓縮聲發(fā)射特征研究

張鐘毓，席 偉，于懷昌，牛 睿，程廣利

(1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 鄭州 450011；2.廊坊市中鐵物探勘察有限公司 工勘部， 河北 廊坊 065000)

聲發(fā)射是指巖石在受力變形過程中，其內(nèi)部儲存的能量以彈性波的形式向外釋放的一種現(xiàn)象[1-2]。聲發(fā)射技術(shù)是一種無損的監(jiān)測方法，可以對巖石變形破壞過程進(jìn)行預(yù)測，因此得到了廣泛的運(yùn)用。

國內(nèi)外學(xué)者對于單軸壓縮下巖石聲發(fā)射特性已經(jīng)取得了大量的研究成果。趙奎等[3]采用高低頻聲發(fā)射通道對不同含水率紅砂巖進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗，分析了含水率不同對聲發(fā)射特性的影響。張茹等[4]對花崗巖進(jìn)行單軸多級加載聲發(fā)射試驗主要對AE事件數(shù)進(jìn)行了分析。董志凱等[5]對大理巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗，分析了巖石破裂過程中時空演化特征。丁鑫等[6]對煤巖進(jìn)行單軸壓縮試驗，分析了破裂過程中聲發(fā)射頻域特征。李浩然等[7]對鹽巖進(jìn)行單軸加載以及循環(huán)荷載試驗，對其變形破壞過程中聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究。索彧等[8]開展了頁巖單軸壓縮破壞過程中聲發(fā)射特性，分析了聲發(fā)射事件數(shù)，能率與應(yīng)力和時間的關(guān)系。李元輝等[9]對巖石破裂過程中的聲發(fā)射b值隨不同應(yīng)力水平的變化趨勢進(jìn)行了研究。劉希靈等[10]研究了單軸壓縮與劈裂荷載下灰?guī)r聲發(fā)射b值特征，探討了加載方式對b值特性的影響。趙建軍等[11]對不同應(yīng)力路徑下英安巖聲發(fā)射b值特征及破壞前兆進(jìn)行了研究，探討了不同應(yīng)力路徑下b值的差異性。龔囪等[12]研究了膠結(jié)充填體在加-卸載過程中聲發(fā)射b值特征。然而，已有的成果對巖石不同變形階段聲發(fā)射特征的對比研究還較少，還有待于進(jìn)一步深入開展此方面的工作。

鑒于此，本文對小浪底三疊系細(xì)砂巖進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗研究，分析了不同階段試樣聲發(fā)射幅值、峰值頻率、振鈴計數(shù)和能量的變化特征，在此基礎(chǔ)上對比分析了聲發(fā)射b值以及累計振鈴計數(shù)的演化特征，得出了巖石的破壞時間前兆特征，從而為巖石的變形破壞判別提供科學(xué)依據(jù)。

1 巖石單軸壓縮聲發(fā)射試驗

1.1 試驗設(shè)備

試驗加載系統(tǒng)采用TAWA-2000微機(jī)控制巖石伺服試驗機(jī)，聲發(fā)射系統(tǒng)采用美國物理聲學(xué)公司PCI-Ⅱ聲發(fā)射試驗儀。聲發(fā)射儀前置放大器增益設(shè)定為 40 dB，門檻值45 dB，模擬濾波器1 KHz～1 MHz，采樣率100萬次/秒，試驗中探頭布設(shè)方式如圖1所示。試驗過程中，保持應(yīng)力加載和聲發(fā)射信號采集同步進(jìn)行。

圖1 試樣聲發(fā)射探頭布設(shè)

1.2 試樣制備

試驗所用巖石取自小浪底庫區(qū)三疊系細(xì)砂巖，將采集到的巖塊運(yùn)抵實(shí)驗室后，采用數(shù)控機(jī)床對巖塊進(jìn)行加工，制成長、寬、高分別為70 mm×70 mm×140 mm的長方體巖石試樣。試樣密度2.64 g/cm3。制備4個試樣進(jìn)行常規(guī)單軸壓縮試驗，可得試樣單軸抗壓強(qiáng)度平均值為173.5 MPa，試樣切線模量為37.50 GPa。采用力控加載方式進(jìn)行常規(guī)單軸壓縮試驗，應(yīng)力加載速率為200 N/s。試樣見圖2。

圖2 細(xì)砂巖試樣

2 巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征分析

細(xì)砂巖試樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3。

圖3 試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖3中可以看出，試樣的變形破壞過程可分為以下4個階段：

(1) 壓密階段(OA段)。應(yīng)力加載初期，試樣內(nèi)部微孔隙、裂隙壓密閉合，隨著應(yīng)力的持續(xù)增加，試樣變形逐漸增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線向上彎曲呈上凹狀，曲線斜率也逐漸增大。

(2) 彈性階段(AB段)。隨著應(yīng)力的持續(xù)增加，試樣應(yīng)變增大，曲線斜率近似恒定，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，表明這一階段試樣內(nèi)部微裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展。

(3) 塑性階段(BC段)。當(dāng)應(yīng)力超過B點(diǎn)應(yīng)力值，應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始向下彎曲呈下凹狀，曲線斜率逐漸降低，表明試樣內(nèi)微裂隙不穩(wěn)定擴(kuò)展。B點(diǎn)即為試樣從彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，即屈服點(diǎn)。

(4) 臨界破壞階段(CD段)。隨應(yīng)力的增加，當(dāng)應(yīng)力超過C點(diǎn)應(yīng)力值，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的切線斜率幾乎為零，表明試樣內(nèi)部微裂隙即將相互貫通，形成宏觀裂紋，在D處試樣產(chǎn)生宏觀斷裂面，發(fā)生脆性破壞。

3 聲發(fā)射參數(shù)變化特征

3.1 幅值特征

單軸壓縮下試樣聲發(fā)射幅值-應(yīng)變-時間關(guān)系，如圖4所示。

圖4 試樣聲發(fā)射幅值-應(yīng)變-時間關(guān)系

依據(jù)圖4，分析不同階段試樣聲發(fā)射幅值的變化特征。

(1) 壓密階段(OA段)。試樣受載初期，內(nèi)部微裂紋活動較少，聲發(fā)射幅值低且數(shù)量少，主要分布于45 dB～55 dB。隨著荷載的增加，試樣內(nèi)部微裂紋壓密閉合，應(yīng)變增大，幅值增大且數(shù)量增多，主要分布于45 dB～70 dB，少量分布于80 dB。

(2) 彈性階段(AB段)。試樣內(nèi)部裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，幅值主要分布于45 dB～70 dB。隨著荷載的增加，試樣內(nèi)部萌生較大尺度的微破裂，幅值突然上升至95 dB，隨著裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展，幅值逐漸下降至70 dB左右。

(3) 塑性階段(BC段)。試樣內(nèi)部裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展，幅值迅速上升，產(chǎn)生大量70 dB以上信號，少量幅值可達(dá)100 dB；表明試樣內(nèi)部產(chǎn)生較多微破裂。

(4) 破壞階段(CD段)。試樣臨近破壞，幅值保持較高水平，產(chǎn)生大量100 dB幅值信號，隨后幅值小范圍下降，表明試樣內(nèi)部裂紋相互貫通形成破裂面，產(chǎn)生破壞失穩(wěn)。

從以上分析可以看出，壓密和彈性階段試樣聲發(fā)射幅值相對較低[13]，塑性階段試樣幅值增大，破壞階段試樣產(chǎn)生大量100 dB的高幅值信號，預(yù)示著巖石即將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3.2 峰值頻率

單軸壓縮下試樣聲發(fā)射峰值頻率-應(yīng)變-時間關(guān)系，如圖5所示。

圖5 試樣峰值頻率-應(yīng)變-時間關(guān)系

依據(jù)圖5，分析不同階段試樣聲發(fā)射峰值頻率的變化特征。

(1) 壓密階段(OA段)。試樣在荷載初期(0～200 s)，峰值頻率主要集中在40 kHz～60 kHz；隨著荷載的增加試樣內(nèi)部內(nèi)部微裂隙壓密閉合，峰值頻率主要集中在20 kHz～30 kHz、40 kHz～60 kHz、70 kHz～110 kHz、140 kHz～200 kHz頻段。

(2) 彈性階段(AB段)。試樣在彈性階段初期，峰值頻率主要集中在20 kHz～30 kHz、40 kHz～60 kHz、70 kHz～110 kHz；且有少量信號分布于140 kHz～325 kHz；隨著荷載的增加，試樣進(jìn)入在彈性階段后期，分布于140 kHz～325 kHz的峰值頻率呈現(xiàn)多頻帶化，分別為140 kHz～200 kHz、260 kHz～325 kHz。即彈性階段峰值頻率主要集中在20 kHz～30 kHz、40 kHz～60 kHz、70 kHz～110 kHz、140 kHz～200 kHz、260 kHz～325 kHz頻段。

(3) 塑性階段(BC段)。試樣進(jìn)入塑性階段，內(nèi)部裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展，聲發(fā)射高頻信號驟增，處于140 kHz～200 kHz峰值頻率呈現(xiàn)多頻帶化，分別為140 kHz～150 kHz、170 kHz～200 kHz;且產(chǎn)生新的頻帶420 kHz～500 kHz。則試樣在塑性階段峰值頻率主要集中在20 kHz～30 kHz、40 kHz～110 kHz、140 kHz～150 kHz、170 kHz～200 kHz、260 kHz～325 kHz、420 kHz～500 kHz頻段。

(4) 破壞階段(CD段)。試樣進(jìn)入破壞階段，聲發(fā)射峰值頻率降低，頻帶減少，峰值頻率主要集中在30 kHz～120 kHz、140 kHz～190 kHz、250 kHz～340 kHz，如圖6所示，表明試樣內(nèi)部微裂紋即將貫通形成宏觀破裂面，產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

圖6 試樣破壞階段峰值頻率-應(yīng)變-時間關(guān)系

從以上分析可以看出，單軸壓縮下試樣壓密階段、彈性階段和塑性階段峰值頻率頻帶數(shù)量依次增多，分別為4、5、6個；隨試樣變形的增加，峰值頻率數(shù)值增大且呈現(xiàn)多頻帶化[14]，破壞階段，試樣峰值頻率降低，頻帶減少，表明試樣即將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3.3 振鈴計數(shù)與能量

單軸壓縮下試樣聲發(fā)射振鈴計數(shù)-應(yīng)變-時間關(guān)系如圖7所示，試樣聲發(fā)射能量-應(yīng)變-時間關(guān)系如圖8所示。

依據(jù)圖7與圖8，分析不同階段試樣聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量的變化特征。

(1) 壓密階段(OA段)。試樣剛開始受載，振鈴計數(shù)與能量數(shù)值較低，振鈴計數(shù)主要分布于0～100次，能量主要分布于0～500 mV·us。隨著荷載的增加，試樣內(nèi)部微裂隙開始壓密閉合，振鈴計數(shù)與能量信號增多，數(shù)值增大，振鈴計數(shù)達(dá)0～1 000 次，能量達(dá)0～1 000 mV·us。

圖7 試樣聲發(fā)射振鈴計數(shù)-應(yīng)變-時間關(guān)系

圖8 試樣聲發(fā)射能量-應(yīng)變-時間關(guān)系

(2) 彈性階段(AB段)。試樣內(nèi)部裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，振鈴計數(shù)與能量數(shù)值相對穩(wěn)定，振鈴計數(shù)主要分布于0～1 000次，能量主要分布于0～1 000 mV·us。隨著荷載的增加，試樣內(nèi)部微破裂活動尺度增大且產(chǎn)生新裂紋，振鈴計數(shù)和能量數(shù)值劇增，振鈴計數(shù)可達(dá)9 000次，能量可達(dá)6 000 mV·us。隨著裂紋的再次穩(wěn)定擴(kuò)展，振鈴計數(shù)下降到0～1 000次，能量下降到0～1 000 mV·us。

(3) 塑性階段(BC段)。試樣內(nèi)部裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展，振鈴計數(shù)和能量數(shù)值增高。振鈴計數(shù)主要分布于0～10 000次，能量主要分布于0～50 000 mV·us，表明試樣內(nèi)部產(chǎn)生較多微破裂。

(4) 破壞階段(CD段)。試樣進(jìn)入破壞階段，振鈴計數(shù)與能量持續(xù)急增，表明試樣內(nèi)部發(fā)生劇烈變化，大尺度裂紋相互貫通形成破裂面；且試樣失穩(wěn)破壞前，振鈴計數(shù)與能量數(shù)值持續(xù)增大。

從以上分析可以看出，壓密和彈性階段，試樣聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量處于較低水平；進(jìn)入塑性階段后試樣振鈴計數(shù)與能量上升，整體處于較高水平，臨近破壞階段試樣振鈴計數(shù)與能量持續(xù)急增，預(yù)示試樣即將失穩(wěn)破壞。

4 巖石聲發(fā)射b值演化特征研究

1954年古登堡和里克特提出的震級-頻度關(guān)系(簡稱G-R關(guān)系)[15]，表達(dá)為：

lgN=a-bM

(1)

式中：M為地震震級；N為震級不小于M的累積地震數(shù)；a為地震活動常數(shù)；b為地震學(xué)中的b值。

在聲發(fā)射b值計算中，一般將聲發(fā)射的幅值(A)除以20得到等價的地震震級，即：

ML=A/20

(2)

式中：ML為聲發(fā)射震級；A為聲發(fā)射震幅，單位為dB。

式(1)中N所代表的含義即為大于等于ML聲發(fā)射發(fā)生事件的累計頻次。采用最小二乘法對b值進(jìn)行計算，樣本容量設(shè)為1 000進(jìn)行計算。為避免震級上限對b值計算誤差影響，將各組樣本震級上限剔除，即N取大于ML聲發(fā)射事件的累計頻次[16]，然后計算得出壓密、彈性、塑性和破壞各階段試樣聲發(fā)射b值隨時間的變化曲線，如圖9所示。為對比分析，圖9中也顯示了不同變形破壞階段試樣聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)曲線。

圖9 試樣聲發(fā)射b值-累計振鈴計數(shù)-應(yīng)變曲線

依據(jù)圖9，分析壓密、彈性、塑性和破壞各階段試樣聲發(fā)射b值、累計振鈴計數(shù)的變化特征。

(1) 壓密階段(OA段)。在壓密階段初期，試樣聲發(fā)射b值密集出現(xiàn)，累計振鈴計數(shù)曲線增長速率較大，表明試樣內(nèi)部孔隙、裂隙被快速壓密、閉合，產(chǎn)生較多聲發(fā)射信號。隨應(yīng)力的持續(xù)增加，在該階段后期，聲發(fā)射b值整體呈下降趨勢，累計振鈴計數(shù)曲線增速放緩，表明試樣內(nèi)部微孔隙、裂隙閉合趨于穩(wěn)定，即將進(jìn)入彈性階段。

(2) 彈性階段(AB段)。試樣聲發(fā)射b值在一定范圍內(nèi)呈波動變化，變化范圍整體趨于穩(wěn)定，與壓密階段相比，b值點(diǎn)數(shù)量變稀疏。累計振鈴計數(shù)曲線以穩(wěn)定速率增長。表明該階段試樣內(nèi)部微孔隙、裂隙在應(yīng)力作用下穩(wěn)定擴(kuò)展。

(3) 塑性階段(BC段)。試樣聲發(fā)射b值整體呈明顯的下降趨勢，累計振鈴計數(shù)曲線發(fā)生階梯狀增大，表明試樣內(nèi)部微裂隙快速擴(kuò)展，并發(fā)生相互貫通，與壓密、彈性階段相比，塑性階段試樣內(nèi)部微破裂以大尺度破壞為主。

(4) 破壞階段(CD段)。隨應(yīng)力的持續(xù)施加，聲發(fā)射b值呈急劇下降至最小值，然后略微上升的變化趨勢。累計振鈴計數(shù)曲線發(fā)生突然上升躍遷，然后停止增加，表明試樣內(nèi)部微裂隙急劇匯集、相互貫通，形成宏觀破裂面，從而導(dǎo)致試樣突然失穩(wěn)破壞。

綜合試樣壓密、彈性、塑性和破壞各階段聲發(fā)射b值以及微裂隙變化特征，可以看出聲發(fā)射b值的變化規(guī)律可以間接反映巖體內(nèi)部微裂隙萌生、擴(kuò)展的演化特征。b值逐步增大，表明試樣內(nèi)部微破裂以小尺度破壞為主；b值逐漸減小，表明試樣內(nèi)部微破裂以大尺度破壞為主。同時，各階段聲發(fā)射b值的變化趨勢不同，試樣壓縮破壞全過程聲發(fā)射b值呈上升-下降-平穩(wěn)-下降-上升的變化趨勢。

如第3節(jié)所述，與壓密、彈性、塑性階段相比，破壞階段試樣的聲發(fā)射幅值、峰值頻率、振鈴計數(shù)和能量雖然發(fā)生顯著變化，可以預(yù)示巖石即將發(fā)生失穩(wěn)破壞，然而卻不能得出巖石失穩(wěn)破壞的具體時間前兆點(diǎn)。而依據(jù)試樣破壞前聲發(fā)射b值的急劇降低以及累計振鈴計數(shù)的突然上升躍遷，可以得出具體的巖石失穩(wěn)破壞的時間前兆點(diǎn)。聲發(fā)射b值、累積振鈴計數(shù)以及應(yīng)變對應(yīng)的時間前兆點(diǎn)分別如表1所示。

表1 聲發(fā)射b值、累計振鈴計數(shù)以及應(yīng)變預(yù)示破壞時間前兆點(diǎn)

從表1中可以看出，聲發(fā)射b值與累計振鈴計數(shù)預(yù)示的試樣破壞前兆時間均早于應(yīng)變預(yù)示的前兆時間，而聲發(fā)射b值預(yù)示的試樣破壞前兆時間較累計振鈴計數(shù)提前了56 s。因此，聲發(fā)射b值能夠比累計振鈴計數(shù)提前預(yù)示巖石的失穩(wěn)破壞。

5 結(jié) 論

(1)壓密和彈性階段試樣聲發(fā)射幅值相對較低、振鈴計數(shù)和能量處于較低水平、峰值頻率頻帶數(shù)量依次增多;塑性階段試樣幅值增大、振鈴計數(shù)與能量上升，整體處于較高水平，峰值頻率數(shù)值增大且呈現(xiàn)多頻帶化；破壞階段試樣產(chǎn)生大量100 dB的高幅值信號、振鈴計數(shù)與能量持續(xù)急增、峰值頻率降低，頻帶減少，預(yù)示著巖石即將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(2)聲發(fā)射b值的變化規(guī)律可以間接反映巖體內(nèi)部微裂隙萌生、擴(kuò)展的演化特征。b值逐步增大，表明試樣內(nèi)部微破裂以小尺度破壞為主；b值逐漸減小，表明試樣內(nèi)部微破裂以大尺度破壞為主。試驗中聲發(fā)射b值整體呈上升-下降-平穩(wěn)-下降-上升的變化趨勢。

(3)臨近破壞階段試樣的聲發(fā)射幅值、峰值頻率、振鈴計數(shù)與能量的變化特征與聲發(fā)射b值的急劇降低以及累計振鈴計數(shù)的突然上升躍遷，可以預(yù)示巖石即將發(fā)生失穩(wěn)破壞，與前四者相比聲發(fā)射b值與累計振鈴計數(shù)能夠得出巖石失穩(wěn)破壞的具體時間前兆點(diǎn)，且聲發(fā)射b值比累計振鈴計數(shù)提前預(yù)示了巖石試樣的失穩(wěn)破壞。