王小林,温仕轩,王煜东,张 亮,雷瑞德
(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院,西安 710054; 2.西安煤矿机械有限公司, 西安 710200;3.四川轻化工大学 土木工程学院,四川 自贡 643000;4.页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心(重庆地质矿产研究院),重庆 401120)
随着工程埋深的逐渐增加,深部岩体受到复杂地质环境诸如高温、高应力等的影响越来越显著,岩石力学特性在不同温度作用下的演化一直是地热开采、煤层气化和油页岩热解等的研究热点[1-4]。同时,高温作用产生的裂纹会降低岩石的完整性,进而破坏地下岩层的稳定性[5-9]。因此,研究岩石在高温作用下的损伤演化及断裂破坏前兆特征显得非常必要,研究结果对工程结构参数选择、科学评价工程岩体稳定性起到了非常重要的作用。
文献[10]借助CT扫描探究花岗岩在高温作用下热损伤及破坏特征,当加热温度<300 ℃时主要产生热膨胀这一物理现象,试样内未观察到裂纹萌生发育;当温度>300 ℃时,在长石和石英矿物中观察到边界裂纹和穿晶裂纹。蒋浩鹏等[11]通过把Weibull函数内嵌到Mohr-Coulomb强度准则中进而开发热损伤本构模型,结果表明,理论模型与室内试验结果较吻合,进一步说明理论模型的可靠性。赵怡晴等[12]通过对热处理砂岩的微观结构及力学特性开展单轴压缩试验研究,结果表明,当温度超过600 ℃时,砂岩力学特性急剧降低,相反,其渗透特性急剧增加。孙博等[13]基于声发射技术对不同层理角度的板岩开展单轴压缩试验,获得了加载过程中层状板岩失稳前兆特征以及预警时间关系。徐婕等[14]对砂岩开展了一系列常规三轴加卸载试验,并借助分形理论对不同应力路径下砂岩的破裂前兆特征进行研究,结果发现,分形维数急剧下降点与岩石临界破断失稳点吻合,证明声发射参数作为识别岩体失稳预警信号的可靠性。杨宇江等[15]借助数值模型对岩石破裂过程中的多重分形参数进行模拟分析,结果发现,虽然不同参量的多重分维值略有差异,但多重分形理论能够满足标度尺度不变性这一重要特征。
尽管国内外学者对不同温度作用下岩石力学特性展开了大量研究,并取得了许多对理解岩石热损伤断裂机制的重要结论[16-17]。但高温作用下岩石的破断机制仍待深入,尤其是借助声发射技术从微裂纹机制、破裂前兆特征等方面进行深入研究。因此,本文借助声发射技术对不同温度作用后砂岩在整个加载过程中多重分形特征及破坏前兆特征开展详细研究。
本文研究的砂岩取自重庆某采石场,该岩样自然状态下呈灰白色,颗粒粒度中等,体积密度为2.48 g/cm3,纵波波速为3 560 m/s,孔隙度为10.86%,主要矿物成分为石英(32.26%)、长石(48.35%)、高岭土(10.42%)和其他矿物(8.96%),如图1所示。
图1 测试岩样小角衍射
为减少样品之间的差异,测试试样均取自同一块岩样,并采用波速法进行初步筛选。并根据国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics,ISRM)标准将砂岩切割打磨成50 mm×100 mm的标准圆柱体试样[18]。接下来,对试件分组进行高温加热预处理,加热温度分别为200、400、600、800、1 000 ℃共5种工况。马弗炉内岩样加热速率设为5 ℃/min。为确保岩样内部均匀受热,温度升至目标温度后在炉子内恒温4 h,然后冷却至室温,试样制备及加热过程,如图2所示。
图2 试样制备过程
本文借助MTS816岩石力学试验机配套PCI-Ⅱ声发射仪开展一系列单轴加载试验,整个加载过程采用位移控制,加载速率为0.1 mm/min。加载过程中同步监测声发射参数(事件数、撞击、能量和原始波形),声发射传感器型号为NANO-30,谐振频率为300 kHz。为降低加载过程中环境产生的噪音,并结合断铅试验结果,声发射门槛值和采样频率分别设置为40 dB和1 MHz。2个探头对称固定在试样中间位置。试验装置如图3所示。
图3 试验装置
声发射技术广泛地用于监测岩石变形断裂过程中的裂纹行为,因此,通过对整个加载过程中捕捉到的声发射事件数进行累加,不同温度作用后砂岩轴向应力、累积声发射事件数演化曲线,如图4所示。
图4 不同温度作用下砂岩轴向应力及声发射演化特征
由图4得知,当加热温度低于400 ℃时,初始损伤阶段与线弹性阶段其累积声发射事件数几乎为0,当轴向应力增至屈服阶段时,声发射信号急剧增加。但是,经过高温处理后,累积声发射事件数在较低应力阶段声发射信号逐渐上升,尤其当加热温度增至1 000 ℃时,声发射信号密度在初始压密阶段出现急剧增加,这主要是由于在较高温度作用下,热应力作用破坏了矿物颗粒之间的粘结作用,导致颗粒键之间的拉伸应力和剪切应力降低,故在较低外荷载作用下试样内大量沿晶和穿晶裂纹萌生发育,从而使岩样的强度产生劣化。对比图中裂纹应力水平变化规律明显得知,随着加热温度的增加,裂纹起裂应力水平逐渐降低。此外,通过计算裂纹扩展阶段在整个加载的时间占比发现,随着温度的增加,裂纹起裂扩展阶段占比逐渐降低,占比分别为84.22%、81.08%、80.00%、79.07%、71.52%和60.12%。
根据之前研究的文献,文中特征应力点同样采用累积声发射事件数的方法进行定义[19-20]。根据图4中不同温度作用后砂岩轴向应力曲线,可以获得砂岩应力门槛演化特征,如图5所示。
图5 不同温度作用下砂岩应力门槛
由图5可知,随着温度的增加,不同裂纹应力门槛呈现出近似一致的演化规律,总体上呈现出先增加后降低的趋势。该现象的主要原因是高温作用致使矿物之间形成塑性扩张以及热应力提高了矿物颗粒之间的内摩擦作用,导致在一定温度范围内岩样的峰值强度出现增加。常温下不同裂纹应力门槛分别为61.74、71.34、71.95 MPa;当温度增至200 ℃时,不同裂纹应力门槛分别为58.76、69.42、72.49 MPa;当温度增至1 000 ℃时,岩样热损伤及强度劣化程度相比低温工况要大很多,矿物之间的晶间裂纹和穿晶裂纹密度也急剧增加,不仅出现强度的降解,在某种程度上孔隙度也发生相应的增加。另外,3种裂纹应力水平相对于常温工况分别降低了69.40%、57.98%、54.86%。
为揭示不同温度处理后砂岩微观结构热损伤演化规律,借助微观电镜扫描装置,对不同温度作用后砂岩微观结构进行分析。不同温度处理后典型扫描电镜结果,如图6所示[6]。
图6 不同温度作用后砂岩微观图像
当温度从25 ℃升至200 ℃时,由于矿物颗粒之间发生热膨胀,常温工况下岩样内小孔隙发生闭合。但当温度升高至400 ℃时,由于没有足够的空隙空间使颗粒膨胀,从而导致孔隙变大。当处理温度升高到600 ℃时,在岩样表面观察到大量微裂纹,该现象的主要原因为石英晶体经历α-β转变的临界温度为573 ℃,石英组分发生体积膨胀导致微裂纹萌生。
随着温度不断升高,当热应力超过了砂岩基质的抗拉强度,微裂纹开始扩展。试样表面形成大量孤立的孔隙和裂纹,如图6(e)所示。当温度增至800 ℃时,方解石发生分解,颗粒之间的作用力键断裂,黏土矿物脱胶作用致使颗粒周围产生新的裂纹。可进一步推测在较高温度作用下,细观孔洞和大孔洞逐渐向微裂纹演变,导致细观孔洞和大孔洞的比例降低。最终,裂纹数量和贯通范围显著增加(图6(f)),导致岩样力学强度降低。该现象从微观角度解释图4中宏观力学参数的演化规律。
分形理论是根据物体自身的自相似性和尺度不变性等特点进行分析,本文采用盒覆盖法对声发射信号的概率分布特征进行计算[21-23]。
首先,对声发射时间序列进行定义{x(t);t=1,2,3,…,n},并将其分成连续的N等份,每一份长度为M,每个区间的归一化概率定义为
(1)
式中:Pt为归一化概率密度;St为第t区间累积和。
配分函数χ(q,M)定义为
(2)
式中:q为统计矩顺序;M为标度长度。
对于不同q值,配分函数与M之间的幂律关系为
χ(q,M)∝Mδ(q)。
(3)
通过不断地改变标度长度M,并重复计算,从ln(X(q,L))和lnM拟合曲线上取双对数函数斜率可得到Hurst指数δ(q)。
归一化测度μi(q,M)的单参数簇定义为
(4)
式中Pi(L)为概率分布函数。
通过幂指数加权处理,多重分形维数可按不同程度划分为多个区域,并经过Legendre变换,分形谱函数f(q)和平均奇异强度α(q)的计算过程为:
另外,多重分形维数具有3个典型特征:频谱宽度(Δα)、最大与最小信号频率测度子集(Δf)和频谱形貌(Δα0)。
频谱宽度Δα计算式为
Δα=αmax-αmin。
(7)
式中:αmax为奇异性指数最大值;αmin为奇异性指数最小值。
频谱测度子集Δf计算为
Δf=f(q(αmax))-f(q(αmin)) 。
(8)
式中:q(αmax)是指当α=αmax时的q值;q(αmin)是指当α=αmin时的q值。另外,Δf反映大、小测度子集出现的概率,Δf越大表明大破裂尺度事件占优,Δf越小表明小破裂尺度信号占优。
砂岩高温处理后变形断裂过程中声发射信号多重分形特征,如图7所示。
图7 不同温度作用后砂岩多重分形特征曲线
由图7可知,不同温度作用后砂岩的非均质性较明显,较小幅值声发射信号起到了主要作用。另外,较小幅值信号出现概率大于较大幅值信号,进一步揭示加载过程中岩石损伤劣化的复杂性。在外荷载作用下,岩石内部经历了微裂纹萌生发育,声发射信号强度某种程度上反映出岩石变形破裂程度,较大幅值声发射信号预示砂岩内部经历较大尺度变形和断裂;相反,较小幅值声发射信号预示砂岩内部产生较小尺度破裂。另外,根据多重分形谱形貌特征,声发射信号的结构差异可明显区别出来。整个加载变形断裂过程中,试样内小幅值声发射信号占比较大,揭示了砂岩内产生较多小尺度的破裂。
从图7还可得知,常温作用下,多重分形谱宽度达到最大值Δα=1.451,当温度增至1 000 ℃时,多重分形谱宽度Δα为1.018,进一步说明常温工况较高温工况相比,声发射信号变化较显著。另外,随着温度的增加,多重分形谱宽度逐渐变小,说明砂岩内部矿物颗粒之间产生了较大的位错。
图7虽然给出了不同温度作用后砂岩整个加载过程的多重分形特征,但不同应力水平的多重分形特征对于理解岩石热损伤机制更有意义。限于篇幅,仅列举1 000 ℃工况下砂岩在不同应力阶段的多重分形特征。图8给出了高温处理后不同应力水平的多重分形谱演化规律。
图8 不同应力水平下加热砂岩多重分形谱特征
从图8可以看出,随着应力水平的增加,总体上,多重分形谱宽度呈现出先降低后增加的演化趋势,详细地,多重分形谱宽度Δα由1.546(0~0.2σc)逐渐降至0.423((0.8~1.0)σc),然后又增至0.983(峰后阶段)。在初始加载阶段多重分形谱宽度Δα达到最大值,进一步表明该阶段声发射信号的非线性特征较明显,主要是由于内部初始孔裂隙闭合、矿物颗粒产生位错等导致产生的声发射信号相对较多。在峰后阶段,多重分形谱宽度再次达到峰值,进一步证实峰后阶段其变形和断裂呈现出较复杂的特征,与初始加载阶段类似。
众所周知,声发射技术已广泛应用于实验室和现场研究岩石材料的损伤演化以及鉴别加载过程中裂纹类型[22-24]。以往对地震事件的监测和统计研究发现,较大振幅信号发生的概率小于较小幅值信号,还发现大震级地震事件与振幅之间服从幂指数分布,即
lgN=a-bM。
(9)
式中:N为幅值大于AdB的声发射撞击数;M为地震震级;a为常数;b为小幅值事件相对大幅值事件的比例。
由于自然地震与室内岩石失稳破坏具有相似性,因此,大量学者采用声发射b值来表征其断裂损伤,并将其作为岩石破坏的前兆指标参数[24-26],对式(9)进行适当的修正,有:
(10)
(11)
式中AdB为声发射波形信号振幅。
M∝lgS。
(12)
结合式(10)、式(11)可知,修正的G-R公式为
(13)
为了更好地理解热损伤对岩石破裂前兆的影响,本节通过对不同温度作用后整个加载过程中声发射b值的演化特征进行分析。由于加载前期阶段声发射信号较稀疏,对应该阶段按照50 s时间间隔计算一次声发射b值,中后期阶段声发射信号较密集,以20 s为时间间隔计算一次声发射b值。根据式(9)—式(13)获得整个加载过程中声发射b值的演化特征,图9给出了不同温度作用后砂岩轴向应力及声发射b值演化特征。
图9 不同温度作用下砂岩声发射b值前兆特征
由图9可知,声发射b值呈现出先增加后降低再增加,最后急剧降低的变化规律。另外,当加热温度低于400 ℃时,由于试样内产生的声发射信号较少,故在加载前期阶段出现声发射b值稀疏现象。随着温度的增加,试样受热损伤影响逐渐增大,对应试样内产生大量微裂纹,从而导致声发射b值显著降低,该现象主要是由于试样内孔裂隙被压密,裂纹在发生闭合过程中,晶体之间位错导致试样内裂纹发育。随着应力水平增加,当加载进入线弹性阶段时,声发射b值又呈现出缓慢增加的趋势。当轴向应力趋近峰值荷载时,声发射b值急剧下降。
声发射b值的减小,说明岩样内幅值较大事件占比增大,岩石破裂加剧。单轴加载过程中,b值发生几次起伏波动,进一步证实岩石内部裂纹的发展是渐进式扩展,但在主破裂前b值表现出明显的下降,且随着主破裂的临近下降趋势更加明显。在接近峰值强度时,b值的大幅度降低意味着岩石由微破裂状态变化为破坏状态,此时声发射b值急剧下降点可作为岩石失稳突变的前兆信息点。
(1)基于声发射技术,量化识别了加载过程中裂纹起裂应力和损伤应力门槛,发现不同裂纹应力门槛随着温度的增加呈现出逐渐降低的演化规律,同时,发现裂纹起裂扩展阶段占比逐渐降低。
(2)随着温度的增加,多重分形谱宽度逐渐变小,说明砂岩内部结构产生了较大变化。当应力水平由(0~0.2σc)增至峰后阶段时,多重分形谱宽度呈现出先降低后增加的变化规律,具体为分形谱宽度Δα由1.546逐渐降至0.423,最终增至0.983。
(3)随着应力水平的增加,当加载进入线弹性阶段时,声发射b值呈现出缓慢增加的趋势。当轴向应力趋近峰值阶段时,声发射b值急剧下降,声发射b值急剧下降点可作为失稳突变的前兆信息点。