干濕循環(huán)節(jié)理砂巖單軸壓縮聲發(fā)射演化特征

楊證欽張 亮孫 帆

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 庫(kù)區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害防治國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，重慶 400045；3.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054)

1 研究背景

三峽庫(kù)區(qū)水的調(diào)度與運(yùn)用，以及地下水位的變化、降雨和水位升降，將導(dǎo)致巖體長(zhǎng)期處于干濕交替的環(huán)境中，從而加劇巖體細(xì)觀尺度上的累積損傷[1-3]，使得巖體參數(shù)發(fā)生劣化[4-6]。同時(shí)，實(shí)際工程巖體中通常又含有節(jié)理等軟弱結(jié)構(gòu)面，促使破壞模式極為復(fù)雜。反復(fù)的干濕循環(huán)也會(huì)改變巖體原有的裂隙分布規(guī)律和破壞機(jī)制，降低巖體的承載力和穩(wěn)定性，對(duì)相關(guān)工程的建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)造成影響[7-9]。因此，對(duì)干濕循環(huán)后巖體的力學(xué)、聲學(xué)等性質(zhì)研究就顯得格外重要。

目前，學(xué)者們的研究主要集中在干濕循環(huán)后完整巖樣的物理力學(xué)參數(shù)劣化規(guī)律、聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE)特征以及破裂機(jī)理。劉小紅等[10]、王子娟等[11]對(duì)干濕循環(huán)作用下巖體力學(xué)參數(shù)的劣化、質(zhì)量及其劣化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)次數(shù)越多，其力學(xué)參數(shù)劣化程度就越高，砂巖的單軸壓縮強(qiáng)度就越低。鄧華鋒等[12]選取三峽庫(kù)區(qū)典型庫(kù)岸邊坡變幅帶區(qū)域砂巖為研究對(duì)象，進(jìn)行了飽水-風(fēng)干循環(huán)作用試驗(yàn)，結(jié)果表明飽水-風(fēng)干循環(huán)次數(shù)越多，砂巖試樣的抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角劣化、損傷效應(yīng)越明顯。姚強(qiáng)嶺等[13-15]通過(guò)單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)、無(wú)損浸水試驗(yàn)，研究了不同含水率和水循環(huán)次數(shù)下煤巖體試樣的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征。吳寶楊等[16-17]采用無(wú)損浸水試驗(yàn)裝置和聲發(fā)射技術(shù)研究了砂巖在浸水下力學(xué)性能的劣化規(guī)律、強(qiáng)度損傷及聲發(fā)射變化規(guī)律。Gutenberg和Richter(G-R)[18]在分析世界各地地震的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，用來(lái)獲得地震頻率與振幅之間的關(guān)系，此后在描述地震震級(jí)分布和分析巖石穩(wěn)定性方面得到了廣泛的應(yīng)用[19-21]，而在聲發(fā)射應(yīng)用中，G-R關(guān)系則經(jīng)常用來(lái)揭示混凝土和巖石的破裂機(jī)理[22]。

由上述參考文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，在干濕循環(huán)作用下節(jié)理砂巖破裂機(jī)理的聲發(fā)射參數(shù)變化特征方面的研究較少?；诖耍疚南葘?duì)完整、單節(jié)理、雙節(jié)理砂巖巖樣進(jìn)行0、1、5、10、15、20次的干濕循環(huán)作用，而后采用AG-IS精密電子萬(wàn)能電子材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)干濕循環(huán)后的巖樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，并采用PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測(cè)巖樣在單軸壓縮下整個(gè)變形破裂過(guò)程中的振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)，以此研究不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下節(jié)理砂巖破裂過(guò)程中的聲發(fā)射特征演化規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案

2.1 節(jié)理巖樣制備

試驗(yàn)砂巖試樣取自三峽庫(kù)區(qū)消落帶某巖質(zhì)邊坡，然后將試樣加工成長(zhǎng)寬高分別為35、30、12 cm的長(zhǎng)方形體，利用SC-300型自動(dòng)取芯機(jī)從單個(gè)長(zhǎng)方形體中取芯，之后然后利用M250打磨機(jī)和Kemet平面研磨拋光機(jī)將試樣加工成50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件。節(jié)理幾何參數(shù)為：長(zhǎng)度10 mm，厚度1 mm，間隔20 mm，傾角45°。最終加工成的節(jié)理巖樣如圖1所示。

圖1 節(jié)理巖樣Fig.1 Jointed rock specimens

2.2 試驗(yàn)方案與設(shè)備

本文選取三峽庫(kù)區(qū)水樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)?；谝延械母蓾裱h(huán)試驗(yàn)方案[23-24]，為加快干濕循環(huán)產(chǎn)生的損傷劣化效果，選用智能混凝土真空飽水儀與DHG-1000A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(圖2(a)和圖2(b))，對(duì)砂巖試樣的“吸水-干燥”循環(huán)采用真空飽和法和烘箱干燥法(105 ℃)實(shí)施。具體做法如下：將巖樣放入飽水缸，并抽真空至缸內(nèi)壓力為-80 kPa，持續(xù)保持負(fù)壓6 h；待飽水儀負(fù)壓升至為0 kPa時(shí)，將砂巖試樣取出，并立即放入裝有三峽庫(kù)區(qū)水樣的容器中繼續(xù)浸泡18 h。稱取質(zhì)量后直接放入干燥箱中，在105 ℃進(jìn)行烘干24 h，此過(guò)程定義為1次干濕循環(huán)。干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、1、5、10、15、20次。再采用AG-IS精密電子萬(wàn)能電子材料試驗(yàn)機(jī)(圖3)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，加載速率為0.1 mm/min，豎向荷載直接施加于節(jié)理巖樣上表面直至試件最終破壞。在整個(gè)單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，利用PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)(圖4)對(duì)巖樣的變形破壞過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，聲發(fā)射系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。此外，為了較好地捕捉到聲發(fā)射信號(hào)，選用醫(yī)用凡士林作為耦合劑，將砂巖試樣和聲發(fā)射探頭之間進(jìn)行有效黏合，并用白色皮筋對(duì)聲發(fā)射探頭加以固定。試驗(yàn)的方案流程如圖5所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下單軸壓縮巖樣應(yīng)力-應(yīng)變特征分析

為了解干濕循環(huán)后巖樣的破裂機(jī)理，對(duì)單軸壓縮下不同干濕循環(huán)次數(shù)后的完整巖樣和節(jié)理巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了相關(guān)分析。

圖2 智能真空飽水儀與DHG-1000A型干燥箱Fig.2 Intelligent vacuum water saturation instrument and DHG series drying oven

圖3 AG-IS精密電子萬(wàn)能電子材料試驗(yàn)機(jī)Fig.3 Shimadzu AG-IS material testing machine

圖4 PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)Fig.4 PCI-2 AE system

圖6 完整巖樣與節(jié)理巖樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of intact rock specimens and jointed rock specimens under uniaxial compression

圖6為不同干濕循環(huán)次數(shù)(N)作用下巖樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

表1 聲發(fā)射系統(tǒng)中的參數(shù)設(shè)置

圖5 方案流程Fig.5 Program flow

由圖6可知，不同試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均出現(xiàn)峰值，且峰值隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加顯著降低，峰值過(guò)后應(yīng)力又顯著降低，即表現(xiàn)出了明顯的脆性特征，而且節(jié)理巖樣的脆性特征比完整巖樣更為明顯。此外，不同干濕循環(huán)次數(shù)后巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也存在著明顯差異，對(duì)于完整巖樣，不同干濕循環(huán)作用下的峰值應(yīng)力后均表現(xiàn)出明顯的塑性特征(圖6(a))，而對(duì)于節(jié)理巖樣，則是隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加峰后塑性特征逐漸增強(qiáng)(圖6(b)和圖6(c))。

3.2 節(jié)理砂巖變形破裂過(guò)程聲發(fā)射事件分析

干濕循環(huán)對(duì)巖石造成不可逆的累積損傷，在不同干濕循環(huán)次數(shù)后，巖樣的聲發(fā)射波在變形和破裂過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的特征差異。因此，分析巖石變形破裂過(guò)程中的聲發(fā)射波形特征，有助于深入評(píng)價(jià)干濕循環(huán)后節(jié)理砂巖的變形破裂機(jī)理。

3.2.1 不同循環(huán)次數(shù)下巖樣破裂過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)變化規(guī)律

先重點(diǎn)分析0、10、20次干濕循環(huán)下砂巖單軸壓縮試驗(yàn)。圖7給出了0、10、20次干濕循環(huán)下砂巖試樣在變形過(guò)程中的應(yīng)力和聲發(fā)射參數(shù)(振鈴計(jì)數(shù)及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù))隨時(shí)間的變化曲線。

圖7 不同干濕循環(huán)次數(shù)的巖樣振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Variations of AE ring count and accumulated AE ring count of intact rock specimen with time under different dry-wet cycles

由圖7可看出，完整巖樣和節(jié)理巖樣的聲發(fā)射事件在干濕循環(huán)作用后大都經(jīng)歷微弱、增強(qiáng)、陡增、劇烈4個(gè)階段。在微弱階段即OA階段，聲發(fā)射活動(dòng)較低。進(jìn)入增強(qiáng)階段即AB段后，聲發(fā)射活動(dòng)有所增強(qiáng)，以很小的速率增加，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)微小。到了陡增階段即BC階段后，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)開(kāi)始變得活躍呈陡增趨勢(shì)，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線隨時(shí)間近似呈指數(shù)形式增長(zhǎng)。到達(dá)劇烈階段即CD階段后，聲發(fā)射事件變得異常劇烈。

此外，由圖7也可看出，不同巖樣隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)均減小，聲發(fā)射劇烈活動(dòng)階段的持續(xù)時(shí)間均在增加。在10次干濕循環(huán)作用后，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)下降約22%，聲發(fā)射劇烈活動(dòng)階段的持續(xù)時(shí)間增加約25%；在20次干濕循環(huán)作用后，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)下降約45%，聲發(fā)射劇烈活動(dòng)階段的持續(xù)時(shí)間增加約67%。這是因?yàn)殡S著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣的強(qiáng)度發(fā)生了弱化，巖石晶體間的黏結(jié)作用降低，導(dǎo)致巖樣的塑性變形增加[25]。

圖8 聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系Fig.8 Curves of cumulative AE ring count versus number of dry-wet cycles

通過(guò)對(duì)比分析不同節(jié)理巖樣在單軸壓縮過(guò)程中的聲發(fā)射參數(shù)變化規(guī)律(圖8)可以發(fā)現(xiàn)，在相同干濕循環(huán)次數(shù)作用下，隨著節(jié)理數(shù)量的增加，聲發(fā)射活動(dòng)降低，而隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同節(jié)理巖樣的聲發(fā)射活動(dòng)降幅均增大。在0次干濕循環(huán)下，單節(jié)理巖樣的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)下降幅度約51%，雙節(jié)理巖樣的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)下降幅度約71%；在10次干濕循環(huán)下，單節(jié)理巖樣的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)下降幅度約53%，雙節(jié)理巖樣的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)下降幅度約74%；在20次干濕循環(huán)下，單節(jié)理的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)下降幅度約57%，雙節(jié)理巖樣的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)下降幅度約78%。

3.2.2 節(jié)理砂巖聲發(fā)射b值變化規(guī)律分析

b值的概念源于地震學(xué)的研究(見(jiàn)文獻(xiàn)[18])，可以用來(lái)表征裂紋擴(kuò)展的尺度，如今已成為巖石聲發(fā)射特性研究的重要手段之一[26]，因此分析受荷過(guò)程中的b值對(duì)認(rèn)識(shí)大小聲發(fā)射事件之間的關(guān)系具有重要的物理意義。

圖9 不同干濕循環(huán)次數(shù)下巖樣AE事件振幅與頻度分布Fig.9 Amplitude-frequency distribution diagram of AE events of jointed rock samples with single under different dry-wet cycles

聲發(fā)射b值的計(jì)算如下(見(jiàn)文獻(xiàn)[22])：

(1)

(2)

式中：AdB是聲發(fā)射事件的振幅(dB)；Amax是聲發(fā)射事件的峰值振幅(mV)；N是震級(jí)超過(guò)AdB的聲發(fā)射事件總數(shù)；參數(shù)a和b是常數(shù)，參數(shù)a是平均活動(dòng)水平，參數(shù)b是直線的斜率，表示聲發(fā)射事件大小之間的關(guān)系。

一般b值增大表示小聲發(fā)射事件的比例逐漸增大，而b值減小則表示大聲發(fā)射事件的比例在逐漸增大(見(jiàn)文獻(xiàn)[26])。圖9顯示了完整巖樣與單節(jié)理巖樣不同干濕循環(huán)次數(shù)下聲發(fā)射擊數(shù)頻率和振幅之間的關(guān)系，圖10給出了干濕循環(huán)次數(shù)與聲發(fā)射b值的關(guān)系曲線。

圖10 聲發(fā)射參數(shù)b值與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.10 Curves of AE b values versus number of dry-wet cycles

由圖9并結(jié)合式(1)、式(2)可以計(jì)算得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下完整巖樣聲發(fā)射b值依次為0.521、0.539、0.555、0.573、0.640和0.687，單節(jié)理巖樣聲發(fā)射b值依次為0.421、0.443、0.455、0.486、0.547和0.595，可見(jiàn)聲發(fā)射b值逐漸增大，表明干濕循環(huán)作用后巖樣內(nèi)部產(chǎn)生小聲發(fā)射事件的占比在逐漸增大，即小尺度破裂所占的比例在增加。這是因?yàn)殡S著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增大，節(jié)理巖樣內(nèi)部的顆粒物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)均發(fā)生了劣化，水對(duì)節(jié)理巖樣造成的累積損傷不斷加劇，使得巖樣內(nèi)部的黏聚力不斷減小，礦物顆粒發(fā)生斷裂時(shí)釋放的能量隨之降低，因此，造成干濕循環(huán)后節(jié)理巖樣小聲發(fā)射事件的比例逐漸增大，巖樣內(nèi)部以小尺度的破裂為主。由圖10對(duì)比完整巖樣和單節(jié)理巖樣，可以發(fā)現(xiàn)，完整巖樣和單節(jié)理巖樣在變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射b值均隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而呈逐步增大趨勢(shì)，此外，各種干濕循環(huán)次數(shù)情況下完整巖樣的聲發(fā)射b值均大于節(jié)理巖樣，說(shuō)明完整巖樣在變形破壞過(guò)程中發(fā)生的小聲發(fā)射事件占比要大于節(jié)理巖樣，而節(jié)理巖樣存在節(jié)理的優(yōu)勢(shì)導(dǎo)向作用[27]，使得節(jié)理巖樣最終的破壞大都沿著節(jié)理尖端擴(kuò)展貫通破壞，因此，在此過(guò)程中節(jié)理巖樣內(nèi)部所發(fā)生的小破裂占比小于完整巖樣。

4 結(jié) 論

本文利用單軸壓縮試驗(yàn)及聲發(fā)射技術(shù)，研究了干濕循環(huán)對(duì)節(jié)理砂巖破裂過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)特征的影響，主要結(jié)論如下：

(1)干濕循環(huán)作用后的單軸壓縮下砂巖巖樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射活動(dòng)存在“微弱—增強(qiáng)—陡增—?jiǎng)×摇彪A段性特征。

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同節(jié)理巖樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)均減小，而聲發(fā)射劇烈活動(dòng)階段的持續(xù)時(shí)間、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的降幅以及變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射b值均呈逐步增大的趨勢(shì)，同時(shí)，b值的增加也表明干濕循環(huán)作用下巖樣內(nèi)部多發(fā)生小尺度的破裂。

(3)各種干濕循環(huán)次數(shù)情況下完整巖樣的聲發(fā)射b值均大于節(jié)理巖樣，說(shuō)明完整巖樣在變形破壞過(guò)程中發(fā)生的小聲發(fā)射事件占比要大于節(jié)理巖樣。