高温后大理岩渐进破坏过程试验研究

郭清露

(长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430072)

0 引言

2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。包括地下抽水储能、地下压缩空气储能、地下储热和地下综合储能等工程在内的地下储能工程既能适合昼夜电能转移,又能进行负荷调峰,具有重大发展前景[1]。在地下储能工程的开发利用中,地下深度的增加使得周围岩体处于高地应力、高温、高水压等复杂地质环境。其中,高温会促使岩石(体)内裂纹产生和发育,改变岩石内裂纹尺寸和密度,从而使得岩石的物理力学性质劣化。众多学者对高温后岩石的物理力学性质进行了研究[2-4]。例如,夏小和等对高温作用后大理岩进行压缩试验指出:随着作用温度升高,大理岩的单轴抗压强度、弹性模量、变形模量和泊松比等力学参数有不同程度的降低。随着力学参数的降低,工程岩体在高温条件下的渐进破坏过程越来越受到国内外学者的重视,也是目前亟需解决的关键科学问题。

E Eberhardt等考虑到声发射技术能够实时、无损地监测岩石内部微裂纹的活动情况,提出可以根据岩石在受压渐进破坏过程中不同变形阶段的声发射参数随时间的变化规律来确定岩石的启裂应力和损伤应力[5]。赵兴东等[6]对完整岩样及含预制裂纹的岩样进行单轴压缩声发射试验,利用声发射定位技术研究了岩石破裂过程。

岩石的峰前渐进破坏过程可以分为4个阶段[7-8]:1)裂纹闭合阶段;2)线弹性变形阶段;3)裂纹稳定扩展阶段;4)裂纹非稳定扩展阶段。C D Martin等将岩石变形与强度特征和岩石内部裂纹发育、发展和汇合过程联系起来,提出几个表征岩石强度的特征值:裂纹闭合应力σcc、启裂应力σci和损伤应力σcd。本文将把声发射定位的时空演化规律与岩石渐进破坏的各个阶段结合起来,进一步分析不同温度作用后岩石渐进破裂过程,以期为工程实践提供借鉴。

1 声发射定位原理

声发射的定位算法很多,常见的有Geiger算法和单纯形算法,本文采用声发射系统配套软件AEwin给定的非线性迭代算法进行定位计算,其基本原理是经过对声发射到达各个探头的时差、波速和探头间距的回归计算,得到信号源位置。

信号源到第i个探头的距离见式(1):

(1)

通过检测得到的信号传到第i和第j个探头的时间差见式(2):

Δtij,obs=ti-tj

(2)

通过计算得到的信号传到第i和第j个探头的时间差见式(3):

(3)

定义残差见式(4):

χ2=∑(Δtij,cal-Δtij,cal)2

(4)

其中,v为岩样纵波波速;ti,tj分别为信号源传到第i个和第j个声发射探头的时间;xi,yi,zi和xj,yj,zj为第i个和第j个声发射探头的位置坐标;xs,ys和zs均为声发射信号源的位置坐标。给定初始值xs,ys和zs,然后通过迭代计算使残差值满足精度要求,迭代停止,此时xs,ys和zs即为信号源位置坐标。在每组试验进行前,测量岩样的纵波波速,以此作为计算波速。

2 试验仪器简介

单轴压缩试验在TAW-3000型岩石三轴伺服多场耦合试验系统上完成。该系统采用门式框架整体铸造,刚度为10 GN/m,轴向最大试验力为3 000 kN,测力精度为10 N;最大围压100 MPa,测力精度为0.01 MPa。轴向变形传感器量程为8 mm,径向变形传感器量程为4 mm,二者分辨率均为0.000 1 mm。

声发射监测设备采用美国物理声学公司DISP系列的四通道PCI-2全数字化声发射监测系统。该系统处理卡具有的功能和参数如下:18位A/D分辨率,高达40 M/s的采样率,1 kHz～3 MHz的频率范围,最小门槛值为12 dB。该声发射监测系统能够对多个通道的数据进行显示、采集、存储和重放;可以实现线定位、区域定位功能;可以对实时波形和波形流进行采集与分析;能进行的滤波有特征参数滤波、波形滤波、前端滤波和图解滤波,能进行聚类分析前端报警设置。

试件加热采用设备型号为SX2-10-12的中温箱式电阻炉,该电阻炉额定功率10 kW,额定温度1 200 ℃,采用PID智能程序控温,控温精度、炉温均匀性达±5 ℃。

3 试验方案及试验过程

3.1 试验岩样

试验所采用大理岩岩样主要矿物成分为白云石和方解石,同时含有少量黑云母。按照国际岩石力学学会建议的方法,将试样加工成直径50 mm、高度100 mm的圆柱体标准试件,用砂纸打磨端面后,岩样两端面互相平行且平整度误差小于0.01 mm。

3.2 加热方案及加热过程

以10 ℃/min的加热速率将试样分别加热到预定温度后保持恒温4 h,随后在炉内冷却,冷却速率设为5 ℃/min,冷却至常温后取出试件。本文研究设定4个温度梯度,即常温(25 ℃),200 ℃,400 ℃和600 ℃。

3.3 单轴加载

单轴加载采用变形控制,加载速率为0.05 mm/min,加载直到试样最终破坏后停止。

3.4 声发射监测

为了对试样进行三维定位分析,将4个NANO-30探头对称布置在距离岩样两端25 mm处。用凡士林作为声发射探头和岩样结合处的耦合剂以减少信号衰减。在压缩试验开始的同时,开始声发射监测并记录数据。

4 试验结果分析

4.1 定位结果及破坏模式

经过不同温度作用后大理岩在单轴压缩条件下的破坏模式照片和对应的声发射三维定位结果如图1所示。

可以看出,不同温度岩样的破裂模式不同。常温下岩样为脆性劈裂破坏,含有一条主要劈裂裂纹,定位点主要聚集为一条丛集的带状,与实际结果吻合较好。200 ℃岩样也为劈裂破坏,在主要裂纹周围有许多伴生小裂纹;400 ℃岩样为剪切破坏,主要剪切裂纹周围也有许多伴生小裂纹。定位结果显示,经过200 ℃和400 ℃温度作用后岩样的定位点多数聚集在其主要裂纹对应的区域,另有少量定位点均匀分布在岩样内,这些少量分布均匀的定位点正是岩样伴生小裂纹的表现。600 ℃后的岩样为单剪破坏模式,有一条主要剪切裂纹,定位点主要聚集在与剪切裂纹对应的斜平面上。总体而言,从定位点的分布和数目可以判定岩石破裂模式,定位点丛集的区域可以得到宏观裂纹出现的位置。在600 ℃以内,声发射定位结果较好反映了岩样的破裂模式随温度的升高由单一劈裂面破坏模式到多劈裂面破坏模式,再到单剪破坏模式的变化。

从能量角度分析,岩样破坏前耗散的能量主要用于岩样内部的损伤,耗散能越大说明内部损伤程度越高,从而形成更多的破裂面和潜在破裂面,因而200 ℃和400 ℃岩样比常温岩样出现更多破裂面。

岩样发生不同破裂模式的原因可以从张拉裂纹和剪切裂纹共同作用的角度进行分析。在200 ℃以内,岩样的破坏主要受张拉裂纹的影响,张拉变形引起的破裂面与轴向应力平行,表现为劈裂破坏模式。随着温度升高,高温使得试件结构和矿物组成逐渐发生变化,当温度高于某一临界值时,矿物发生相变,颗粒间的黏结作用变小,即高温对岩石材料造成劣化作用。由于岩石材料通常为非均质的,试样同一承载断面的材料劣化程度不一样,导致同一承载断面上的材料强度不等[9]。因此,岩样在轴向应力增加时,强度较低的材料会首先发生屈服,承载力降低,从而使得应力转移,造成未屈服的材料实际应力变大,弹性应变增大,进而剪切裂纹扩展汇合,最终形成剪切破坏模式。考虑到600 ℃后岩样的单轴压缩强度较400 ℃后岩样降低幅度大许多,推断该大理岩矿物发生相变的临界温度在400 ℃～600 ℃之间,故600 ℃后岩样为单剪破坏模式。400 ℃后大理岩的破坏受张拉裂纹和剪切裂纹共同作用,因而破坏后有一条未完全贯通的剪切裂纹,并伴生多条小的劈裂裂纹。

4.2 大理岩渐进破坏过程时空演化规律

大量学者研究了声发射事件定位随岩石破裂过程的演化规律,成果表明,声发射事件定位结果能直观反映岩样内部裂纹产生、扩展和汇合的过程,且裂纹扩展的空间位置、扩展方向及空间曲面形态能由声发射定位的时空演化过程表现出来。学者通常思路是,首先将岩石破裂过程中的应力与峰值强度相除,然后根据比值把岩石破裂过程划分为相应的几个阶段[10],例如,取峰值应力的10%,30%,50%,80%,100%和峰后70%将岩石渐进破坏过程分为6个阶段,最后分析各个阶段的声发射定位分布规律。这种做法能够较好反映岩石破裂过程,但对于几个特征应力对岩石渐进破坏过程的影响和在破坏阶段划分中的意义,不能很好地反映。因此,本文将把声发射定位的时空演化规律与岩石渐进破坏的各个阶段结合起来,进一步分析不同温度作用后岩石渐进破裂过程。

如图2(a)所示,对于常温下岩样,裂纹闭合阶段基本没有声发射定位点,说明岩石原生裂纹较少且在该阶段裂纹活动性较低;随着荷载增加,在启裂应力处,有6%的声发射定位点出现;在裂纹稳定扩展阶段,声发射事件数剧烈增加到总量的62%,在此阶段,岩石内部裂纹开始扩展和发育,因而伴随有剧烈的声发射事件出现;在裂纹非稳定扩展阶段,定位事件数突增到总量的93%,在这个阶段,岩石内部裂纹开始剧烈扩展汇合,因而伴随有大量的声发射现象;而峰后破坏仅有7%的声发射事件数。总体而言,弹性阶段之前有极少的定位点,声发射事件主要在裂纹扩展阶段出现,同时,也说明声发射三维空间定位与岩样内部裂纹产生、扩展和汇合有非常好的对应关系,能与岩石应力-应变曲线结合起来研究岩石渐进破坏过程的五个阶段。

如图2(b)—图2(d)所示,对于高温作用后岩样,在裂纹闭合阶段就有少量声发射定位点出现,其值占总量的比大约为9%,说明在该阶段裂纹密度较常温大,有明显的声发射活动;同时,在弹性阶段,即启裂应力对应的声发射事件数分别为总量的16%,24%和22%,明显比常温下比值大,且该比值随着温度升高有增大趋势,这正是高温对岩样造成热损伤,使得岩石内部裂纹更加发育的反映;在裂纹稳定扩展阶段,经过200 ℃,400 ℃和600 ℃作用后岩样声发射事件数与整个阶段事件数比值分别增加了36%,26%和27%;而在裂纹非稳定扩展阶段,比值分别增加了46%,40%和41%,说明裂纹在此阶段的扩展汇合远远多于在裂纹稳定扩展阶段内的发育;峰后破坏阶段有少量声发射定位。总体而言,经过高温作用后,大理岩热损伤较大,内部裂纹密度变大。因而在裂纹闭合阶段就出现少量占整个渐进破坏过程约9%的声发射事件,且弹性阶段也有不少声发射事件。在裂纹稳定扩展阶段有大量声发射定位点,对应着裂纹的扩展和汇合。声发射定位点主要出现在裂纹非稳定扩展阶段,因为该阶段大量原生裂纹和新生裂纹开始汇合贯通。

5 结论

岩石的峰前渐进破坏过程可以分为4个阶段:1)裂纹闭合阶段;2)线弹性变形阶段;3)裂纹稳定扩展阶段;4)裂纹非稳定扩展阶段。

本文将把声发射定位的时空演化规律与岩石破坏的各个阶段结合起来,进一步分析不同温度作用后岩石渐进破裂过程,主要结论如下:

1)从声发射定位点的分布和数目可以判定岩石破裂模式,定位点丛集的区域可以得到宏观裂纹出现的位置。

2)声发射三维空间定位与岩样内部裂纹产生、扩展和汇合有非常好的对应关系,能与岩石应力-应变曲线结合起来研究岩石渐进破坏过程的五个阶段。

3)经过高温作用后,大理岩热损伤较大,内部裂纹密度变大。因而在裂纹闭合阶段就出现占整个渐进破坏过程约9%的声发射事件,且弹性阶段也有不少声发射事件。在裂纹稳定扩展阶段有大量声发射定位点,对应着裂纹的扩展和汇合。声发射定位点主要出现在裂纹非稳定扩展阶段,因为该阶段大量原生裂纹和新生裂纹开始汇合贯通。