灰?guī)r單軸抗壓損傷特性試驗研究

董文專，盧陽，黃翔

灰?guī)r單軸抗壓損傷特性試驗研究

董文專1，盧陽2，黃翔3

（1. 湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007；2. 北海市不動產(chǎn)登記中心，廣西北海 536000；3. 桂林理工大學，廣西 桂林 541004）

為研究灰?guī)r損傷特性，利用巖石力學試驗機對灰?guī)r試樣開展單軸抗壓試驗，并利用聲發(fā)射儀監(jiān)測試驗過程中試樣的聲發(fā)射事件數(shù)、縱波波速和縱波主頻等參數(shù)的變化，分析這些參數(shù)在試樣加載過程中的變化特性以及它們和損傷力學特性之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：（1）在整個加載過程中，縱波波速的變化不明顯，聲發(fā)射事件累計數(shù)量不斷增大，縱波主頻先增大后減小。（2）對于試樣軸向應(yīng)力－應(yīng)變曲線，損傷起始點在應(yīng)力峰值點前，損傷起始點應(yīng)力為峰值應(yīng)力的0.75；損傷起始點附近，聲發(fā)射事件累計數(shù)量迅速增大，縱波主頻迅速減??；在損傷起始點和加載曲線終點處，縱波主頻分別衰減為初始主頻的0.65和0.47。相比縱波波速，聲發(fā)射事件累計數(shù)和縱波主頻更適合作為表征巖石損傷變化的物理量。研究成果可為灰?guī)r隧道工程的圍巖力學特性研究及安全穩(wěn)定性評價提供參考。

巖石力學；隧道；聲發(fā)射事件累計數(shù)量；峰值；主頻

1 引言

由于隧道開挖后圍巖的穩(wěn)定性對安全施工有重要影響，因此，隧道圍巖力學性質(zhì)研究一直是隧道工程領(lǐng)域的研究熱點[1]。巖石屬于非均質(zhì)的初始損傷脆性材料，其變形與破壞過程伴隨著局部裂紋的萌生和擴展直至破壞整體性，屬于損傷累積過程[2,3]。巖石損傷是在內(nèi)部和表面都同時發(fā)生的現(xiàn)象，因此，損傷過程十分復(fù)雜。正確描述巖石損傷演化現(xiàn)象是揭示巖石變形與破壞機理的前提。目前研究巖石損傷特性的方法主要包括掃描電鏡分析法、核磁共振分析法、超聲波探測法、聲發(fā)射試驗法等[4,5]。掃描電鏡分析法和核磁共振分析法能通過數(shù)字圖像技術(shù)精準獲取檢測對象的損傷分布情況，但所需儀器設(shè)備造價昂貴，且通常用于測定最終的損傷情況而不是損傷過程。超聲波探測法主要依靠聲波波速變化判定巖石損傷情況，判據(jù)單一，而聲發(fā)射試驗法不僅能分析巖石損傷過程中聲波波速變化，還能分析聲發(fā)射事件數(shù)的變化?，F(xiàn)有研究表明，巖石損傷過程伴隨著聲發(fā)射事件的發(fā)生，聲發(fā)射試驗是研究巖石損傷過程力學特性的有效方法[6,7]。聲發(fā)射試驗通過監(jiān)測巖石變形與破壞過程中裂紋張開產(chǎn)生的彈性振動或擾動判斷巖石的損傷變化[9-12]。常見的聲發(fā)射試驗監(jiān)測物理量包括聲發(fā)射事件累計數(shù)量、振動主頻、縱波波速等[13-16]。聲發(fā)射監(jiān)測試驗通常配合巖石單軸抗壓試驗研究巖石的損傷力學特性[17]。在單軸抗壓加載過程中，利用聲發(fā)射裝置監(jiān)測試樣的聲發(fā)射事件累計數(shù)量、振動主頻、縱波波速等物理量的變化，并結(jié)合應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線分析試樣的損傷變化特性。例如，楊增福等[7]利用聲發(fā)射裝置研究單軸加載條件下煤巖的破壞特征。楊東輝等[15]利用單軸壓縮聲發(fā)射試驗研究砂巖脆性破裂失穩(wěn)臨界應(yīng)力特征。張鐘毓等[18,19]利用聲發(fā)射試驗和單軸抗壓試驗分析聲發(fā)射事件累計數(shù)量和小浪底細砂巖破壞特征之間的關(guān)系。王創(chuàng)業(yè)等[20]利用聲發(fā)射試驗研究了灰?guī)r單軸加載過程的頻譜特性。宋義敏等[21]利用聲發(fā)射試驗研究了紅砂巖單軸抗壓變形條件下的聲發(fā)射主頻特征。

我國灰?guī)r分布廣泛，灰?guī)r隧道開挖工程項目十分常見。研究灰?guī)r損傷力學特性對灰?guī)r隧道開挖安全穩(wěn)定性評價等工程問題的解決有重要的意義。為此，本文以某灰?guī)r隧道工程為研究背景，對灰?guī)r開展單軸抗壓試驗，并利用聲發(fā)射試驗監(jiān)測加載過程中聲發(fā)射事件累計數(shù)量、縱波波速、縱波主頻等物理量的變化，分析這些物

理量變化和損傷力學性質(zhì)之間的關(guān)系，以揭示加載過程灰?guī)r的損傷特性，研究成果可為實際工程的圍巖力學性質(zhì)研究、隧道圍巖安全監(jiān)測和穩(wěn)定性分析等提供參考。

2 試驗方案

2.1 試樣

試樣取自某灰?guī)r隧道開挖工程項目，為灰黑色致密灰?guī)r，未風化，密度為2.654g/cm3。取樣加工成標準試樣，試樣為圓柱體，其直徑為50mm，高度為100mm。

2.2 試驗設(shè)備

采用TAW-2000巖石三軸試驗機開展單軸抗壓試驗。TAW-2000為剛性試驗機，采用全數(shù)字閉環(huán)控制。試驗機的最大軸力為2000kN，最大圍壓為100MPa，加載控制模式包括兩種：力控制加載和應(yīng)變控制加載。利用應(yīng)變控制加載模式可獲取巖石加載全過程的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線。試驗機配備聲發(fā)射與接收裝置，包括多通道聲發(fā)射檢測儀和聲發(fā)射傳感器。利用該裝置可以監(jiān)測加載過程中聲發(fā)射事件累計數(shù)量、縱波主頻和縱波波速等物理量的變化。單軸抗壓加載條件下試樣的聲發(fā)射與接收示意圖（圖1）。

圖1 試樣聲發(fā)射與接收示意圖

2.3 試驗加載

對試樣進行飽和處理。采用應(yīng)變控制模式對試樣進行單軸壓縮加載，加載應(yīng)變率為2×10-5s-1。通過單軸抗壓試驗獲得加載全過程的軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，并利用聲發(fā)射裝置監(jiān)測加載過程聲發(fā)射事件累計數(shù)量、縱波主頻和縱波波速等物理量的變化。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 加載過程中聲發(fā)射事件累計數(shù)量的變化規(guī)律

加載過程聲發(fā)射事件累計數(shù)量的變化見圖2。圖2中的曲線為軸向應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖2可以看出，隨著軸向應(yīng)變增大，聲發(fā)射事件累計數(shù)量不斷增大。在段，隨著應(yīng)變增大，聲發(fā)射事件累計數(shù)量緩慢增大，應(yīng)力則快速增大。這一階段巖石內(nèi)部空隙被壓密，局部（應(yīng)力集中部位）會因少量微裂紋萌生而產(chǎn)生少量的聲發(fā)射事件，因此聲發(fā)射事件增長速率較慢，此時，巖石損傷特征不明顯，承載性能未劣化，應(yīng)力會隨應(yīng)變增大而快速增大。當應(yīng)力越過點后，從點至點，聲發(fā)射事件累計數(shù)量由101迅速增大到523。在這一階段，巖石內(nèi)部空間萌生大量的微裂紋，微裂紋快速匯聚成核形成宏觀裂紋，宏觀裂紋快速擴展。點為宏觀損傷起始點，損傷起始點為宏觀裂紋萌生、擴展的起始點，在該點附近裂紋增長數(shù)量突然增大，因此，聲發(fā)射累積數(shù)量也突然增大。由于貫通裂紋尚未形成，此時巖石試樣的完整性尚未完全被破壞，試樣仍具備抵抗力，表現(xiàn)為應(yīng)力仍隨應(yīng)變增長而增長，但由于試樣完整性遭到破壞，段應(yīng)力的增長程度不如段。

圖2 加載過程聲發(fā)射事件累計數(shù)量的變化

從圖2還可以看出，損傷起始點在應(yīng)力峰值點之前，損傷起始點應(yīng)力為69.5MPa，為峰值應(yīng)力92.6MPa的0.75倍。這表明，在達到抗壓極限前，巖石已經(jīng)產(chǎn)生損傷。由于巖石是脆性材料，當內(nèi)部應(yīng)力超過峰值應(yīng)力后就迅速被破壞，因此，從安全角度出發(fā)，隧道圍巖應(yīng)力監(jiān)測通常不以峰值應(yīng)力為安全預(yù)警值，而以損傷起始點的應(yīng)力值為預(yù)警值。隨著試樣變形進一步發(fā)展，越過峰值后應(yīng)力開始不斷下降，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變軟化曲線，如圖中的段，此時試樣內(nèi)形成了對試樣完整性有決定性影響的宏觀裂紋，試樣主要沿這些宏觀裂紋面滑移。這一階段裂紋數(shù)量增長變緩，表現(xiàn)為聲發(fā)射事件累計數(shù)量雖然繼續(xù)不斷增長但增長速率逐漸變緩。伴隨著滑移破壞的發(fā)展，試樣的應(yīng)變能快速釋放，由于應(yīng)變?nèi)栽谠鲩L，因此，應(yīng)力需要不斷下跌以維持應(yīng)變能釋放。

在點，聲發(fā)射事件累計數(shù)量達到了745?？梢姡瑥募虞d初始至加載終止，聲發(fā)射事件累計數(shù)量顯著增大，它與巖石損傷力學性質(zhì)變化密切相關(guān)，可以用作反映加載過程損傷變化的物理量。實際隧道工程圍巖安全監(jiān)測可以將聲發(fā)射事件累計數(shù)量作為監(jiān)測對象。

3.2 加載過程中縱波波速的變化規(guī)律

加載過程中縱波波速的變化見圖3。從圖3可以看出，隨著軸向應(yīng)變增大，試樣空隙被逐漸壓密，例如段，縱波波速逐漸增大，隨后試樣局部逐漸產(chǎn)生裂隙，試樣完整性被逐漸破壞，例如段，縱波波速曲線大致呈下降趨勢，波速范圍為4602～4750m/s，最大變化幅度為148 m/s，為加載初始波速4602 m/s的3%，變化幅度比較小，即加載過程中巖石縱波波速變化并不明顯。這是因為縱波波速對巖石空隙率十分敏感，隨空隙率增大而增大，而加載過程中空隙率變化不大，因此加載過程中縱波波速變化并不顯著。分析結(jié)果表明，相對于聲發(fā)射事件，縱波波速不適合用于反映加載過程巖石損傷變化的物理量。

圖3 加載過程縱波波速的變化

3.3 加載過程中縱波主頻的變化規(guī)律

加載過程中縱波主頻的變化見圖4。根據(jù)圖4分析，隨著軸向應(yīng)變增大，縱波主頻先增大，例如巖石逐漸被壓密的段，主頻由110.0 kHz逐漸增大到122.0 kHz。隨后，試樣完整性被逐漸破壞，縱波主頻快速減小，例如段，當應(yīng)力越過點后，從點至點，縱波主頻由122.0 kHz迅速減小到71.5kHz。由圖4也可判定點是損傷起始點。損傷起始點附近裂紋數(shù)量迅速增大，試樣的完整性迅速被破壞，縱波主頻迅速降低。損傷起始點縱波主頻是初始主頻的0.65倍。這是因為試樣內(nèi)部的空洞等缺陷對縱波的傳播有顯著影響，隨著試樣完整性增強，縱波在試樣中傳播受到的干擾越少，消耗的能量也越少，而縱波傳播攜帶的振動能量與主頻成正比，因此，在巖石逐漸被壓密的段，縱波主頻逐漸增大。在完整性被破壞的段，縱波主頻逐漸減小。

隨著應(yīng)力超過峰值點，試樣的整體性被進一步破壞，此時試樣被宏觀裂紋切割，裂紋數(shù)量增長變緩，縱波主頻減小，速率也降低。表現(xiàn)為雖然縱波主頻隨軸向應(yīng)變增大而增大但增大逐漸趨于穩(wěn)定。在加載終止點處，縱波主頻為52.0 kHz，約為初始主頻110.0 kHz的0.47倍。相比縱波波速，損傷過程中縱波主頻顯著降低，因此，縱波主頻可用作反映加載過程損傷變化的物理量，在隧道安全監(jiān)測中，縱波主頻也可作為監(jiān)測對象。

圖4 加載過程縱波主頻的變化

4 結(jié)論

為研究灰?guī)r力學損傷特性，本文以某灰?guī)r隧道工程為研究背景，利用聲發(fā)射儀監(jiān)測灰?guī)r試樣單軸抗壓加載過程中聲發(fā)射事件累計數(shù)量、縱波主頻和縱波波速等參數(shù)的變化，分析了試樣損傷發(fā)展和這些參數(shù)變化之間的關(guān)系，得到以下主要結(jié)論：

（1）聲發(fā)射事件累計數(shù)量隨試驗變形增大而增大。損傷起始點附近，聲發(fā)射事件累計數(shù)量迅速增大。對于試樣軸向應(yīng)力–應(yīng)變曲線，損傷起始點在應(yīng)力峰值點前，損傷起始點應(yīng)力為峰值應(yīng)力的0.75。隧道圍巖應(yīng)力監(jiān)測應(yīng)以損傷起始點的應(yīng)力值為預(yù)警值。

（2）在損傷起始點前，縱波主頻隨巖石變形增大而增大，在損傷起始點后縱波主頻隨巖石變形增大而迅速減小。在損傷起始點起點和加載曲線終點處，縱波主頻分別衰減為初始主頻的0.65和0.47。

（3）灰?guī)r試樣損傷過程中縱波波速的變化不明顯，縱波波速不適于描述灰?guī)r的損傷變化。聲發(fā)射事件累計數(shù)量和縱波波速的主頻變化和灰?guī)r損傷發(fā)展之間具有密切相關(guān)性，可用于表征灰?guī)r損傷發(fā)展的物理量。實際隧道工程可以根據(jù)聲發(fā)射事件累計數(shù)量和縱波波速主頻的變化對圍巖安全穩(wěn)定性進行評價。

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Test on Damage Characteristics of Limestone under Uniaxial Compression

DONG Wen-zhuan1, LU Yang2, HUANG Xiang3

(1. Agricultural and Forestry Industry Survey, Design and Research Institute of Hunan Province, Changsha Hunan 410007; 2. Beihai Real Estate Registration Center, Beihai Guangxi 536000; 3. Guilin University of Technology, Guilin Huangxi 541004, China)

In order to study the damage characteristics of limestone, uniaxial compression tests of limestone samples are carried out by rock mechanics testing machine. Parameters of the samples such as the cumulative number of AE events, the longitudinal wave velocity and the dominant frequency of longitudinal wave are monitored by acoustic emission instrument during the compression tests. The variation characteristics of these parameters and the relations between these parameters and the damage mechanical properties are analyzed. The test results show that: (1) During the whole compression process, the change of the longitudinal wave velocity is not obvious. While the cumulative number of AE events increases, the dominant frequency of longitudinal wave first increases and then decreases. (2)For the axial stress-strain curve of the specimen, the stress at the initial point of damage is 0.75 of the peak stress before the peak stress point; The cumulative number of AE events increases rapidly near the damage starting point, and the dominant frequency of the longitudinal wave decreases rapidly; At the damage starting point and the end of the loading curve, the P-wave dominant frequency attenuates to 0.65 and 0.47 of the initial dominant frequency respectively. Compared with P-wave velocity, the cumulative number of AE events and P-wave dominant frequency are more suitable to be used as physical quantities to characterize the change of rock damage. The research results can provide reference for the study of surrounding rock mechanical properties and safety and stability evaluation of limestone tunnel engineering.

rock mechanics; tunnel; the cumulative number of AE events; peak; dominant frequency

2022-03-01

廣西中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目（2018KY0239）

董文專(1987—)，男，湖南長沙人，工程師，研究方向：道路與橋梁隧道工程。

TU411

A

2095-9249（2022）03-0016-04

〔責任編校：王中蘭〕