中间主应力对花岗岩双轴压缩破坏过程的声发射演化特征影响

刘鑫锦,苏国韶,李小玉,张 康,冯木生

(1.山东省轨道交通智慧建造与运维技术工程研究中心,山东 济南 250001;2.山东轨道交通勘察设计院有限公司,山东 济南 250001;3.广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁 530004;4.国家电投集团 广西长洲水电开发有限公司,广西 梧州 543002)

0 引言

在深部地下工程中,隧道开挖边界围岩会因应力重分布现象从传统真三轴受压状态)转变为特殊双轴受压状态;此外,处于该应力状态的岩体在切向应力(第一主应力σ1)集中现象作用下,经常产生平行于开挖边界的岩板片状脱落静力破坏[1-3],甚至伴随岩板弹射的岩爆动力破坏[4],严重威胁施工设备以及人员的安全,造成不可估量的经济损失[1,5]。随着对地下空间和能源开发需求的不断增加,近年来地下深部工程建设如火如荼,工程施工深度不断增加,严重影响岩石于受压状态条件下破裂机理行为的洞轴向应力(中间主应力σ2)也随着增大。因此,研究中间主应力对岩石双轴压缩破坏过程对于揭示深埋工程岩体灾变演变行为及前兆信息具有重要科学价值及工程意义。

声发射现象是一种材料发生破裂或断裂时释放的一种高频段(104～107Hz)应力波,又被称为声发射信号(acoustic emission,AE)[6]。鉴于声发射信号与岩石破坏过程的高关联性,基于声发射信号的无损监测技术已被应用于岩石双轴压缩破坏失稳预测预警研究,特别是关于声发射信号演化特征。例如,文献[7]得出了处于双轴压缩状态下硬岩发生破坏前,声发射撞击及振铃计数呈现急剧突增现象;文献[8]将自主提出的一种基于无波速约束的声发射信号事件定位方法用于实时监测花岗岩于双轴压缩状态下破坏灾变过程,结果表明该方法能够准确捕捉岩石内部破裂裂纹萌生、扩展以及传播多种行为,揭示了声发射三维定位事件分布随着时间推移,其呈现散点、成簇、聚核以及最终扩为带状演变特征;文献[9]通过无监督学习的聚类算法自动提取了一种可揭示硬岩破坏前夕的声发射前兆信息,即“高持续时间、高振铃计数、高能量、低峰频及低频率数”为特征综合信号类,进一步利用声发射信号上升时间最高幅值比(rise time/maximum amplitude,RA)与平均频率(average frequency,AF)比值法提出了一种区分硬岩失稳前倾向于发生静力岩板劈裂(张拉破裂)或是动力岩爆(剪切破裂)现象的方法。然而,目前关于中间主应力对岩石破坏过程的声发射信号影响研究主要集中于真三轴压缩条件下[10-13]。因此,亟待加强中间主应力对于花岗岩双轴压缩过程的声发射演化特征影响研究。

本文利用真三轴试验机模拟花岗岩在1 MPa和30 MPa中间主应力的双轴压缩下(开挖边界附近岩体)的破坏过程,通过声发射信号监测系统记录整个试验过程,从时域(信号活跃度和b值)和频域(主频和优势频带)研究声发射信号的演化过程,讨论中间主应力对于花岗岩双轴压缩破坏的声信号前兆特征的影响及产生机理。

1 试验方案及结果

1.1 试验设备

本文试验由自主研发设计的高压伺服动真三轴试验机[14]支撑开展(图1)。该套系统可以完成高性能的加载条件,包括垂直方向最大静加载到5 000 kN,水平方向最大静加载到3 000 kN,并且专门设置了X、Y、Z等3个方向的独立加载系统;因此,该试验机可以实现开挖边界附近围岩在不同中间主应力条件下的双轴压缩破坏过程模拟。

图1 试验设备

本次试验伴随产生的声发射信号由美国PAC公司生产的8通道声发射采集系统获取,该系统型号为SENOR HIGIHWAYⅡ,如图1所示。基于本次监测对象花岗岩双轴压缩破坏过程声发射信号特性,其声发射系统的基础参数被设置为:40 dB触发阈值,1 MHz波形采样率,1 MHz采样频率,50 μs峰值鉴别时间,100 μs撞击鉴别时间,200 μs撞击闭锁时间,以及8 192信号采样长度;此外,配置声发射传感器型号为R15a,该传感器具有宽频监测特性(工作频率范围为50～400 kHz),且其还包括80 dB峰值灵敏度[Ref V/(m/s)],75 kHz共振频率,以及±1.5 dB方向性等性能参数。

1.2 岩样制备

本次研究选取尺寸为100 mm×100 mm×200 mm(长×宽×高)的粗晶粒花岗岩,其矿物组成(体积分数)为:约55%钾长石、28%石英、11%斜长石、4%黑云母和3%其他矿物。岩样选自广西壮族自治区梧州市岑溪县,均取自同一块岩体。试验前严格按照国际岩石力学学会推荐的岩石力学试验规定对岩样进行筛选和打磨。每种中间主应力均准备3块岩样进行试验,岩样的基本物理力学性能如表1所示。

表1 岩样的基本物理力学性质

1.3 试验加载方案

为了合理模拟花岗岩在不同中间主应力下的双轴压缩破坏过程,本研究所设计加载方案(图2)为:(1)σ2及σ1在加载速率v下同时进行独立加载,直到σ2达到设定的目标值(1 MPa和30 MPa); (2)σ2保持恒定,σ1按照初始加载速率继续加载,直至岩石发生破坏失稳。岩样加载和加载路径分别见图2a和图2b。为了更为全面捕捉同一破裂源传播至不同方位的声发射信号,声发射传感器布置方式见图2c。此外,本研究还设计了一种降低端部效应作用的减摩方案(图2d),包括由凡士林和硬脂酸组成的减摩剂形成第1、第3减摩层,以及0.01 mm的铜片形成第2减摩层。

(a) 岩样加载

1.4 试验结果

试验采用试验设备、制备岩样以及设计加载方案开展花岗岩在不同中间主应力σ2下的双轴压缩破坏过程,同时对破坏过程伴随产生的声发射信号进行监测。试验结果如图3a所示,结果表明,随着σ2的增大,花岗岩双轴压缩峰值强度σ1从139 MPa显著增大到199 MPa,其峰值应变ε1从5.445‰显著增大到6.042‰。此外,破坏试样均存在平行于σ1的大量垂直裂纹,表明试验过程中存在大量的拉伸裂纹;当σ2从1 MPa增加到30 MPa时,破坏试样出现多条与σ1成夹角的裂纹,左下和右上分别出现一个岩坑,这可能反映了花岗岩破坏前夕剪切裂纹的剧烈活动(图3b和图3c)。因此,在花岗岩双轴压缩破坏过程中,张拉机制占主导地位,σ2对花岗岩的承载、变形和开裂机制有较强的控制作用。

(a) 应力应变曲线

该试验过程中声发射撞击数演化过程绘制于图4,具体描述如下:中间主应力为1 MPa的声发射撞击(图4a)在岩石初期,其数值水平较低且保持稳定、缓慢增长特征;当达到加载中期,声发射撞击数增长逐渐从稳定缓慢向非稳定加速增长过渡,这反映岩石内部裂纹孕育以及扩展行为愈来愈活跃;到达加载后期,声发射撞击数并非保持或是以更猛烈速率增加,反而由增长向平稳波动或是活跃度降低特征转变,临近岩石失稳前夕甚至还出现了极低水平的时期,即“平静期”现象,随后岩石整体发生破坏,声发射撞击数呈现急剧突增。与1 MPa中间主应力类似,中间主应力为30 MPa的声发射撞击数(图4b)也具有稳定缓慢增长、非稳定加速增长、高水平稳定波动、极低水平(“平静期”)以及急剧突增等多种变化特征,但其数值整体水平较于中间主应力为1 MPa更高(高水平稳定波形数从148增加至500,且最大值从153升至719)以及高水平稳定波动发生时期趋向提前(应力水平从93.4%降至79.6%)。综上分析表明,声发射信号能够较好地描述花岗岩于双轴压缩条件下渐进破裂过程。为了更为全面揭示不同中间主应力下的花岗岩双轴压缩破坏规律及前兆特征,有必要对声发射信号于时域及频域多角度开展信号分析。

(a) σ2=1 MPa

2 不同中间主应力的花岗岩双轴压缩破坏过程的声发射信号演化特征

2.1 振铃计数

声发射振铃计数,即信号波形超过设定阈值的振荡次数,因能较好反映信号强度和频度而被广泛应用于声发射活动性评价[15]。因此,本文将该指标引入至花岗岩双轴压缩破坏过程破裂活动演变评估,以此揭示岩石破裂规律及前兆特征。

低(1 MPa)以及高(30 MPa)两种中间主应力条件下的花岗岩双轴压缩破坏过程的声发射振铃计数演变过程如图5所示。中间主应力为1 MPa时(图5a),在岩石加载前期阶段(0～120 s)基本处于低活跃状态,其对应的累计值呈现缓慢增长趋势;在120 s后,声发射振铃计数逐渐活跃,且其累计值增速速率明显加快,由缓慢线性增长向指数型增长转变;在236 s时,声发射计数发生1次1.235 1×104的较高突增,而对应的累计值也呈现一个局部突变,这预示岩石发生一次较大局部宏观破裂。在268 s后,声发射振铃计数整体活跃状态愈加剧烈且呈现连续增长趋势,其累计值曲线斜率呈现急剧向上突变化(趋向无穷大);在276 s时,岩石发生整体破坏失稳,声发射振铃计数以及累计值分别达到2.277 1×104和34.486 9×105。此外,依据上述分析,可将累计声发射振铃计数参数演变过程划分为缓慢线性增长Ⅰ(0～120 s)、快速指数增长Ⅱ (120～236 s)以及连续性急剧突变增长Ⅲ (236～276 s )等3个典型阶段。与1 MPa中间主应力类似,中间主应力为30 MPa的声发射振铃计数(图5b)也具有前期低活跃、中期逐渐活跃、后期急剧活跃(对应累计值:缓慢线性增长,快速指数增长以及连续性急剧突变增长)等多种变化特征,但其整体水平较于中间主应力为1 MPa更高(累积振铃计数最大值从34.486 9×105增至57.016 8×105)。特别是,进入快速指数增长(应力水平从43.2%降至37.5%)以及连续性急剧突变增长阶段(应力水平从88.7%降至80.8%)时期均趋向提前。

(a) σ2 = 1 MPa

综上所述,累计声发射振铃计数由快速指数转向连续性急剧突变增长,转变点可作为岩石即将发生破坏失稳的前兆信息。此外,随着中间主应力增大,累计声发射振铃计数显著增加,且进入快速指数增长(43.2%降至37.5%)以及连续性急剧突变增长阶段(应力水平从88.7%降至80.8%)的应力水平均呈现降低趋势。

2.2 b值

b值是由文献[16]在研究地震震级与频度之间统计关系的G-R关系式时提出的描述地震活跃程度指标:

lgN=a-bM,

(1)

其中:M为震级;N为震级大于M的地震次数;a和b为常数。

此外,岩石破裂产生的弹性波与地震波类似,已有学者将该公式应用于岩石破裂过程中的声发射信号分析[17],并进行了改进,得到如下公式:

lgN=a-b(AdB/20),

(2)

其中:AdB为声发射撞击幅值,dB;N为超过幅值的撞击数,即增量频率;a和b为线性拟合参数,20为常数,用于保持与G-R准则中的b值一致。b值的变化与内部破裂尺度转变有很好的相关性,b值增大代表小尺度破裂所占比例增加,反之,b值减小代表大尺度破裂事件占比增加。

图6为低(1 MPa)以及高(30 MPa)两种中间主应力条件下的花岗岩双轴压缩破坏过程的声发射b值演变过程:中间主应力为1 MPa时(图6a),b值在岩石加载前期阶段(0～68 s)先小幅增加,达到最大值2.4,再大幅下降到1.1;在加载中期(68～164 s),b值维持在1.0～1.3,较为稳定;164 s开始,b值开始连续性下降。在276 s时,岩石发生整体破坏失稳,声发射b值降至最低值(0.2),下降速率为0.009 6 s-1。与中间主应力1 MPa类似,中间主应力为30 MPa的声发射b值演化过程(图6b)也包括小幅上升后下降到一定数值,保持稳定阶段,以及连续下降至最小值等多种变化特征,但下降速率减小(0.009 6 s-1减小为0.005 5 s-1)。

(a) σ2 = 1 MPa

综上所述,声发射b值呈现连续下降趋势可作为判别岩石即将发生破坏失稳的前兆特征。此外,随着中间主应力增大,声发射b值在连续下降段的下降速率减小。

2.3 主频

在岩石失稳灾变过程中,伴随不同尺度破裂的事件所产生的声发射信号具有复杂的频率结构。而主频作为常用的频谱特征参数,能够较好地反映频谱特性,进而能揭示岩石破坏过程中的破裂源类型。文献[18]指出:小尺度破裂源一般产生高频信号,反之,大尺度破裂源一般产生低频信号。鉴于声发射属于非平稳信号,本文选取对该类型信号具有较优适用性的快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)法来实现信号主频计算分析,将信号从时域变换到频域,研究花岗岩于双轴压缩破坏过程的潜在变化规律。

低(1 MPa)以及高(30 MPa)两种中间主应力条件下的花岗岩双轴压缩破坏过程的声发射主频演变过程如图7所示。图7具有信号主频、幅值及时间3种信息,幅值大小绘制信号主频点的大小及颜色(蓝色→红色)来表示。其声发射主频演化过程具体描述如下:中间主应力为1 MPa时(图7a),0～268 s期间,声发射主频信号主要离散分布在40～50 kHz、140～160 kHz和270～300 kHz等3条主频段内,其中0～118 s低幅值信号(蓝色、绿色)为主,信号点数量较少,120 s开始,270～300 kHz频段内出现红色高幅值信号点,主频信号点数量增加且中幅值信号点(绿色、黄色)数量也增加。进入180 s,信号点由低幅值向高幅值转变,高幅值主频信号点(橙色、红色)数量明显增加,且3个频段内均有分布。268～275 s,主频信号点数量急剧减少,仅在140～160 kHz和270～300 kHz频段内出现高幅值信号点,出现“平静期”现象,持续时间7 s。在276 s时,高幅值信号点集中于低频段(40～50 kHz),岩石发生整体破坏失稳。与1 MPa中间主应力类似,中间主应力为30 MPa的声发射主频(图7b)也具有前中期在多频段分散分布,加载后期出现“平静期”等变化特征,但相比于中间主应力为1 MPa,低频高幅值信号的数量从47个显著增加到224个,“平静期”的持续时间从7 s 减少到5 s。

(a) σ2 = 1 MPa

综上所述,声发射主频于岩石破坏前夕会出现低频高幅值信号前兆特征。此外,随着中间主应力增大,低频高幅值信号(小于60 kHz并大于80 dB)数量(47→224)及占比(0.792‰→1.764‰)均呈现增大趋势。

2.4 优势频带

不同频率范围的子信号在岩石裂纹发展表征方面优于整个频率范围的信号,即能同时准确反映小尺度、中等尺度和大尺度等多尺度大小裂纹的变化。然而,由于声信号的细节描述和分析方法的局限性,FFT法无法实现这一目标。因此,本研究依据小波变换在非平稳信号频率成分的多尺度分析中优势[19],将小波变换算法引入,分析了花岗岩双轴压缩破坏过程中声发射信号中优势频带的占比演化过程。其优势频带的占比计算过程如下:

首先,通过小波变换对声发射信号进行分解(图8)。A1,A2,…,An分别是小波分解的第1,2,…,n层的低频子信号;D1,D2,…,Dn为对应层的高频子信号。本文以db3为小波基,对5层进行小波分解。最终将岩石破坏的声发射信号分解为A5(0～15.625 kHz)、D5(15.625～31.25 kHz)、D4(31.25～62.5 kHz)、D3(62.5～125 kHz)、D2(125～250 kHz)和D1(250～500 kHz)等6个频带范围。

图8 小波变换分解信号的原理图

其次,通过对持续时间内的电压进行平方和积分,计算子信号Ei的能量,再根据下式计算不同频段的能量分布系数Ki≤(i=1,2,…,6):

(3)

最后,将整个试验过程划分为多个时段(本文中设置为5 s),由此可获取在特定周期t内,第i个优势频段Ati的比例为:

(4)

其中:Bti为t周期内以i个优势频段为特征的声发射能量分布系数之和。

图9为低(1 MPa)以及高(30 MPa)两种中间主应力条件下的花岗岩双轴压缩破坏过程的声发射优势频带演变过程,在整个试验过程中,声发射优势频带一直处于125～250 kHz中频段,其演化过程具体可描述为:中间主应力为1 MPa时(图9a),0～122.5 s期间,声发射优势频段于125～250 kHz比例下降;122.5～257.5 s期间,该优势频段呈现轻微波动;257.5 s后(临近岩样破坏前夕),一个连续且剧烈增长发生于125～250 kHz声发射优势频段,这说明岩样内部裂纹发育及扩展行为剧烈活跃。与中间主应力为1 MPa类似,在岩样即将破坏前夕,声发射优势频段于125～250 kHz所出现的连续且急剧增长现象也存在中间主应力为30 MPa试验之中(图9b);然而,这个时期比中间主应力为1 MPa条件下出现得更早,其出现时应力水平从93.9%下降至89.0%。

(a) σ2 = 1 MPa

综上所述,声发射优势频段于125～250 kHz出现连续且急剧性增长可作为判别岩石破坏失稳的前兆特征。此外,随着中间主应力的增加,花岗岩失稳前夕优势频段出现前兆时所对应的应力水平由93.3%下降到89.0%。

3 中间主应力对花岗岩双轴压缩破坏的声发射前兆特征影响

试验结果及分析表明,中间主应力σ2对花岗岩在双轴压缩条件下产生的声信号前兆有显著影响,如图10所示。随着σ2从1 MPa增加到30 MPa,声发射信号累计振铃计数达到连续性急剧突变增长阶段时对应的应力水平下降,b值连续下降的速率呈下降趋势,低频高幅值信号的比例增加,优势频段所占比例发生显著变化时的应力水平下降。

图10 中间主应力对于花岗岩双轴压缩破坏过程的声发射前兆特征影响的柱状图

中间主应力σ2对于声发射信号前兆变化影响本质上源于双轴压缩下硬岩开裂机理转变。当σ2较低时(1 MPa),弱侧向约束条件有利于岩石内部分散分布的微裂纹的发育,但这种低水平的微裂纹只能激发低能量以及高频应力波的产生[20],因此,裂纹源仅能激发少量声发射信号,其整体活跃度水平较低。随着外部应力的增加,微裂纹的数量和尺度均有所增加,使得声发射信号急剧活跃。岩石破坏失稳前,外部应力的增加控制宏观裂纹数量和尺度发展,尤其是靠近临空面附近的宏观裂纹,这使得声发射信号的活跃度明显增强。最终,在临空面边界出现两条平行于σ1的以张拉为主的宏观断裂带,即静力板裂破坏现象发生,并且岩石内部的宏观裂纹进一步发展为平行于σ1的宏观张拉裂纹和与σ1成一定角度的少量宏观剪切裂纹,进而诱发临空面局部位置发生小面积颗粒弹射,于弱约束条件下岩石因无法承受更多荷载而立即发生整体破坏失稳(图3a)。当σ2较高时(30 MPa),岩石微裂纹的萌生行为受到强侧向约束的抑制,使得岩石内部仅分布少量裂纹;但这种强约束作用又促使由于增大外部应力,使得能量持续输入而诱发的尺度更大且能量更高的裂纹产生,进而提前了声发射信号极高活跃度的发生时间[20]。随着荷载持续增大,裂纹行为主要侧重于原有裂纹在尺度上的扩展,而不是新生裂纹在数量上的增加,且与σ1平行的宏观裂纹主要在局部区域形成。在岩石破坏失稳前,裂纹在尺度和数量上加速发展,特别是与σ1方向一定角度的剪切裂纹,该剪切裂纹扩展行为源于在高约束条件和最小主应力σ3不为0的真三轴条件下,剪切作用驱动诱发鼓胀行为。同时,岩石裂纹在整体数量上未能充分发育,导致岩石中储存的弹性应变能释放不足,即临空面局部位置处于极高储能风险状态。最终宏观剪切破裂带形成,并于临近临空面局部岩石在强张拉-剪切破裂行为的驱动下被破坏成由一个主要岩板和若干岩石碎块组成的抛射现象,即动力岩爆破坏现象(图3a),这种剧烈动力破坏现象诱发声信号的极度活跃。因此,在高约束作用条件下,声发射信号进入显著活跃阶段趋向提前。

与较低的中间主应力σ2相比,较高的σ2能更早地激发伴随大尺度破裂出现的高能量应力波,并在岩石破坏前夕促使更多高能量剪切裂纹的生成,有助于伴随动力弹射特征的岩爆发生。这些现象显著改变了多信号特征中的声发射信号响应,包括信号活跃度达到连续性急剧突变增长的应力水平减小,b值的连续下降速率减小,优势频段所占比例发生显著变化时的应力水平降低,低频高幅信号所占的比例增加。因此,随着中间主应力σ2的增大,侧向约束的增强使得花岗岩在双轴压缩下的破坏模式发生了本质的转变,最终破坏由静力板裂破坏现象转变为动力岩爆破坏现象(图3a)。受中间主应力的影响花岗岩破坏失稳的声信号前兆特征也出现差异。因此,在利用声发射信号监测预警岩体灾变时,必须考虑中间主应力对深部隧道围岩失稳声发射信号前兆信息的影响。

4 结论

(1)中间主应力对花岗岩双轴压缩破坏的声发射信号前兆有显著影响。与低中间主应力不同的是,在高中间主应力下,声发射信号累计振铃计数达到连续性急剧突变增长阶段的应力水平减小,b值的连续下降速率减小,优势频段所占比例发生明显转变时的应力水平降低,但低频高幅值信号所占比例增加。

(2)得到了不依赖于中间主应力的花岗岩双轴压缩破坏的多种声发射信号前兆特征。在岩石失稳破坏前夕,声发射累计振铃计数呈现连续性急剧突变增长以及b值持续性显著下降,低频高幅值信号出现,优势频段(125～250 kHz)占比呈现显著增加趋势。

(3)对于埋深相对较浅(中主应力较小)的隧道,较少低频、高幅值声发射事件数以及较大b值连续下降速率出现即暗示着较高岩体破坏风险,且振铃计数与优势频段前兆特征出现表明岩体立即将会发生破坏;对于埋深相对较深(中主应力较大)的隧道,较高岩体破坏风险发生需依靠较多低频、高幅值声发射事件数以及较小b值连续下降速率现象,振铃计数与优势频段前兆特征出现距离岩体发生最终破坏仍具有一段时间。