高应力状态下大理岩受异源扰动声发射响应研究 ①

范海峥

(福建水利电力职业技术学院建筑工程系,福建 永安 366000)

0 引 言

在隧洞掘进开采过程中，各类工程施工都对围岩具有扰动作用，在频繁的异源扰动作用下，易诱发临空面的岩体失稳破坏[1-4]，为探究异源扰动下岩石的力学特性，当前许多研究者利用改进的霍普金森杆，对岩样进行外部冲击试验：李夕兵等[5-8]和宫凤强等[9]对岩样进行一维外部冲击，发现冲击荷载会加快岩石劣化速度；而后金解放等[10]又对比了一维与三维冲击下岩样破坏模式，发现岩样一维与三维状态下的破坏模式并不相同；王春等[11]同样进行了三维扰动试验，将扰动下的应力-应变曲线划为四个阶段。以上都是从应力-应变曲线或宏观破坏模式角度分析得出结论，为得出更深层准确的规律，王其胜等[12]与万国香等[13]对岩石进行了带声发射的扰动试验，得出声发射数值大小与岩样受冲击后的破坏程度相关，李帅等[14]利用声发射检测不同硬度岩样受扰动时声发射表现，发现相同应变阶段下低强度砂岩比高强度花岗岩损伤大。以上大多数试验都是锤击扰动试验，但在实际工况中持续性、周期性的异源扰动却常有发生，为让试验更贴近实际工程状态，试验辅以声发射对大理岩进行了不同单轴应力与扰动幅值下的正交试验，以探究异源扰动下岩样的变形与声发射响应。

1 试验条件及方法

1.1 试样准备

岩样采用白色粗晶粒大理岩，为保证岩样均匀性，所用岩样均来自同一块岩石相近区域。按国际岩石力学学会(ISRM)试验规程建议方法制定了岩样。试验前，各岩样均经过波速测试，除波速异常试样，保证试样一致性。最终所选试样如图1所示。图2为单轴压缩条件下，大理岩轴向、环向全应力—应变关系曲线，为后续动力扰动试验中确定加载应力上限提供依据。由图2可知，岩样峰值应力50MPa，扩容点在35MPa左右。

图1 大理岩试样图

图2 单轴下单调压缩加载应力-应变曲线

1.2 试验方法

为探究在隧洞开挖后不同屈服区对扰动的敏感性，对加工好的标准大理岩试样进行“单轴加载+动力扰动”试验，试验方案如表1所示。

整个试验应力加载路径如下：① 轴向加载速率保持500N/s使得轴向应力达到预定值；② 保持轴向应力恒定一段时间，使岩样内部应力分布均匀；③ 随后进行扰动频率为5 Hz的异源扰动试验，观察岩样变形情况，如变形无太大变化，循环扰动4500周期后停止扰动，试验结束，如岩样变形速率一直很大，即扰动到岩样破坏为止。

2 试验结果分析

2.1 轴向应变、声发射能量—时间关系

表2 岩样破坏情况及破坏时刻循环次数

图3为部分单轴动力扰动下的轴向应变、声发射能量与时间曲线图，由图与表2可知：(1)随着应力上限与扰动幅值的增大，扰动破坏所需时间与次数也越来越短，说明应力上限与扰动幅值的增大会大大缩减岩样的寿命；(2)在未破坏岩样中，扰动阶段声发射能量信号并不强烈，而在应力比80%与扰动幅值10MPa下扰动破坏的岩样中，扰动前中期也并未出现较大能量波动，整个应力加卸过程中，声发射能量信号大多集中在静力加载阶段和破坏时刻，且破坏时声发射能量呈现爆发增长，数值上也比静力加载段大很多。

(a) 70%,5MPa

2.2 残余应变、声发射能量—循环次数关系

为进一步研究残余应变与声发射能量的关系，绘制了不同应力比与不同幅值下的残余应变、声发射能量、累积声发射能量与循环次数的关系曲线，如图4所示。

从图4可以发现：(1)在未破坏岩样中残余应变的变形阶段只有衰减段和稳定增长段，在大多数快速破坏的岩样中只有明显的稳定增长段与非线性加速段；(2)随着循环次数的增加，累积声发射能量曲线变化趋势与残余应变变化趋势相近；(3)累积能量在未破坏前大体上随着应力比的增大而减小，这是由于声发射仪在记录数据时由于破坏岩样的全程数据量增加且前期与后期对比能量数偏小，被自动过滤，故出现随着应力比的增大，声发射能量累积量前期偏低，但当应力比相同时随着扰动幅值的增加，破坏岩样中声发射能量在破坏时增长剧烈。

图4 大理岩动力扰动试验残余应变、声发射累积能量—循环次数曲线

3 岩样破坏模式与声发射定位分析

3.1 单轴压缩破坏模式与声发射定位分析

如图5所示，为单轴压缩下岩样破坏图与声发射裂隙定位图。

图5 单轴压缩下大理岩样破坏模式与声发射裂隙定位图

从中可以看出，在单轴单调压缩下大理岩样破坏截面为典型的斜剪破坏模式，有明显的一条宏观剪切破裂面，岩样破坏形态呈典型的脆性破坏特征。

3.2 高应力下动力扰动破坏模式与声发射定位分析

图6给出了正交试验下，大理岩处于单轴高应力条件下受循环动力扰动后的损伤破坏的最终形态图与声发射裂隙定位图。

图6 不同应力上限与不同扰动幅值下的大理岩岩样破坏模式与声发射裂隙定位图

通过与单轴压缩破坏模式的相互对比,可以发现：(1)单轴单调压缩过程中，声发射裂隙一开始发展的区域便是剪切带附近，且并未聚集在岩样中心区域，这与受扰动未破坏大理岩样的裂隙主要聚集在岩样中部区域具有相似性；(2)应力比为70%与15MPa扰动幅值组合时和应力比为80%与5MPa扰动幅值组合时的岩样表面出现竖向细长的浅部裂隙，说明大理岩在高应力作用下扰动对岩样中部区域损伤更大，促进表面竖向裂隙发展；(3)高应力比下受动力扰动破坏的大理岩岩样破坏呈现劈裂破坏模式，且破坏块体比较散碎，主破裂面断口粗糙不平，岩样表面以及断口附近出现大量碎块现象；(4)在应力比值为90%，扰动幅值为10MPa与15MPa的加载组合下，试验后岩样几乎呈现完全散碎状破裂，且产生大量细沙型岩石粉末，无明显断面，声发射裂隙定位图上点位密集也观察不出明显的断裂带。

4 结 论

通过开展大理岩在高应力下的扰动试验，分析了声发射的响应机制并利用声发射定位探究了扰动破坏机理，主要得到了以下结论：

(1)在超高应力比轴向荷载和大幅值扰动荷载共同作用下，动力扰动可加快高应力状态下的岩样损伤进程，大大缩短岩样寿命。

(2)整个应力加卸载过程中，声发射能量信号大多集中在静力加载阶段和动力扰动阶段的岩样破坏时刻。

(3)随着循环次数的增加，累积声发射能量曲线变化趋势与残余应变变化趋势相近。当应力比相同时，随着扰动幅值的增加，破坏岩样中破坏时声发射能量增长越剧烈。

(4)在单轴扰动过程中由声发射裂隙定位图可知，扰动造成的损伤一般从中部与岩样表面开始，随着应力比和扰动幅值的增大，两者组合加载后衍生裂纹由岩样的局部扩展至整个岩样，岩样呈现劈裂破坏，散碎程度增大，脆性破坏特征逐渐减弱。