逐級加卸載擾動下脆性巖石加卸載響應比試驗研究

祝方才，譚園輝，艾成才，劉丙肖

（1. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007；2. 中國鐵塔股份有限公司 泰安市分公司，山東 泰安 271000；3. 湖南化工職業技術學院 會計與造價教研室，湖南 株洲 412006）

逐級加卸載擾動下脆性巖石加卸載響應比試驗研究

祝方才1，譚園輝1，艾成才2，劉丙肖3

（1. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007；2. 中國鐵塔股份有限公司 泰安市分公司，山東 泰安 271000；3. 湖南化工職業技術學院 會計與造價教研室，湖南 株洲 412006）

以某金屬礦山隔離礦柱回采為工程背景，取該礦典型礦巖進行單軸和三軸逐級加卸載擾動試驗，研究逐級加卸載擾動模式下，利用加卸載響應比預測巖石變形破壞方法。研制了可實現聲發射便捷定位的加載轉換裝置，解決了三軸腔表面定位存在的干擾和信號削弱等問題。試驗結果表明：以軸向應變、聲發射能量作為響應參數，可反映巖石變形破壞過程；單次效應和擾動平均效應2種計算方法下加卸載響應比（LURR）均存在隨荷載增加而增大的趨勢，但后者不如前者明顯。

逐級加卸載擾動；加卸載響應比；軸向應變；聲發射

0 引言

巖石變形破壞是一非線性過程，在此過程中巖石的加載響應和卸載響應不同，在接近破壞時加載響應明顯增大，據此可預測巖石破壞。尹祥礎等[1]基于這一非線性過程，提出了加卸載響應比（load/unload response ratio，LURR）理論，并將其應用于地震預測中獲得了成功。近年來，LURR理論逐漸應用于邊坡和洞室穩定分析中。

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市，是典型的千米超深大型礦山，具有高地應力、高地溫特點。采用暫留隔離礦柱連續回采空場嗣后充填采礦方法，運用先采礦房、再采礦柱、最后采隔離礦柱的三步驟回采方法采礦[2]。第三個步驟回采，即回采隔離礦柱時，由于受前兩次擾動的影響工程和地質條件相對惡劣，原因是隔離礦柱開始回采時，周圍介質不再是高強度的礦巖，而是強度較低的膠結充填體或全尾砂充填。在多次采動影響下，圍巖應力不斷變化，圍巖可能出現失穩情況[3]。本文通過對冬瓜山典型脆性巖石單軸和三軸軸向加卸載擾動，將LURR理論引入到脆性巖石破壞的前兆分析中，以期能對圍巖失穩進行預測。

1 試驗方案及加卸載試驗

巖樣是從冬瓜山-760 m水平50線50-8采場穿脈位置和出礦巷道位置處采得的大理巖，加工后如圖1所示。

圖1 大理巖巖樣Fig.1 Marble rock specimens

試驗加載系統采用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT-150C巖石力學試驗系統，加載速率0.01～100 kN/s，可進行單軸和三軸逐級擾動加卸載試驗。采用美國物理聲學公司（PAC）制造的PCI-2聲發射測試系統進行聲發射測試。

為研究巖石在不同應力狀態時加卸載響應特性，進行單軸和三軸條件下軸向逐級加卸載試驗。在加卸載試驗前，根據預估的巖石強度設定載荷級數，每個級別擾動大小取極限荷載的1/15，約為10.86 kN，采用三角擾動大小方式。由GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》得知，標準巖樣單軸試驗加載速率為0.5～0.8 MPa/s。考慮到試驗要測加卸載過程的聲發射數據，且聲發射系統采集數據時存在一定的滯后性，因此本文加卸載速率定為0.25 MPa/s（即0.5 kN/s）。試驗前用位移控制方式預壓0.5 kN的力，使巖樣端部與試驗機的上下壓頭接觸緊密；再將加載系統轉為力控制方式，當達到預定荷載時力方式改為三角波，擾動頻率為0.01 Hz；然后按圖2中的荷載大小進行加卸載，循環次數為8次。試驗結束后取出巖樣，觀察巖樣的破壞狀態如圖3所示。加卸載實施方式有2種，一種是逐級加卸載模式，另一種為逐級加載擾動[4]模式，后者相對前者而言對LURR可起累積放大效應，但累積效應對巖石性質的影響有待考察。

圖2 加卸載示意圖Fig.2 Diagrams of graded load/unload process

圖3 不同壓縮條件下的大理巖巖樣破壞圖Fig.3 A physical image of marble specimen failure under different compression

單軸和三軸試驗中大理巖有2種，一種單軸抗壓強度約83 MPa，另一種約111 MPa，單軸試驗采用前者，三軸試驗采用后者。單軸加載情況下荷載級數分別為20%, 40%, 60%, 80%, 100%和120%單軸抗壓強度，三軸加載情況下則分別為20%, 40%, 60%, 80%, 100%, 120%和140%單軸抗壓強度。

2 具有聲發射內定位功能的加載試驗裝置

對巖樣進行聲發射試驗時，要求聲發射傳感器與巖樣貼合緊密；在巖石三軸室內聲發射試驗中，聲發射探頭不便于直接布于試樣上，而將聲發射傳感器直接貼附于聲發射系統的三軸室外壁[5-7]。由于巖樣與聲發射傳感器并非直接接觸，不同介質之間的聲波傳遞會因傳輸距離增大、傳播路徑復雜出現較大損耗和失真，使得接收到的事件數及能量削弱，無法獲得可靠的聲發射信息。同時聲發射傳感器置于外壁時，易受到試驗設備以及周圍環境的電磁及噪音干擾而進一步影響結果準確性。針對上述不足，研制了一套用于三軸聲發射試驗的加載頭，如圖4所示。

圖4 聲發射定位專用加載頭Fig.4 Special loading heads for the location of acoustic emission

3 試驗結果分析

3.1 加卸載響應比特征

以軸向應力與聲發射能量為例，計算的一個加卸載響應比，如表1所示。以軸向應變和發射能量作為巖樣軸向加卸載擾動下的響應參數，來反映巖樣的變形破壞過程。

單軸壓縮下大理巖的加卸載響應特征如圖5所示，其中圖5b和5c為單次加卸載的LURR，圖5d和5e為考慮累積效應計算的LURR。

表1 加卸載響應比計算結果Table 1 Loading/unloading response ratio calculation

圖5 單軸壓縮下大理巖加卸載響應特征Fig.5 Response of marble specimen under an uniaxial compression

由圖5b和5c可知，荷載初期加載變化量和卸載變化量相同，此時LURR在1～2之間波動。隨荷載增大巖石內部微裂隙逐漸增多，加卸載響應比值逐漸增大。LURR在75級荷載后略有增大，在94級荷載時LURR達到最大值，隨后巖樣發生破壞，此時LURR急劇回落。由此可知，LURR反映了巖石變形破壞過程，在峰值附近出現劇烈波動，反映了峰值附近巖石劇烈破壞這一特征，特別是破壞后巖石已失去完整性，LURR值則無法反映破壞后情況。

由圖5d和5e可知，若考慮將擾動效應進行累積平均，加載過程中LURR值有類似圖5b和5c的變化趨勢，但在荷載中期可能出現較大值。可能的原因是由于巖石試件表面剝落導致的聲發射LURR出現異常情況，這需要在試驗分析中注意觀察。

三軸加載條件下巖石加卸載響應特征與單軸條件下類似，試驗得到了2種圍壓8 MPa（5級荷載即破壞）和15 MPa情況下的加卸載響應特征，如圖6～7所示。其中圖6b、圖6c和圖7a、圖7b為單次加卸載的LURR，圖6d、圖6e和圖7c、圖7d為考慮累積效應計算的LURR。

由圖6b和圖6c可知，在10級荷載前，由于施加圍壓，巖樣孔裂隙加密，巖樣為非線性變形，LURR在1.5～2.5之間波動。隨后巖樣進入彈性階段，LURR值穩定在1左右。隨著荷載級數的逐漸加大，巖石內部微裂隙逐漸增多，導致試件穩定性下降。52級荷載時，LURR值突增到5.5，隨后穩定在3～5之間。隨著荷載級數的繼續加大，巖樣抵抗失穩破壞的能力下降，此時同樣大小的加卸載荷載，巖樣的響應增大，巖樣的臨界敏感性增大，在巖樣破壞前，LURR同樣有突然增大又迅速回落的過程。圖6d，6e是考慮擾動累積效應時的LURR值，也較好地反映了巖石的變形破壞過程。

圖6 8 MPa圍壓下大理巖加卸載響應特征Fig.6 Response of marble specimen under a conventional triaxial compression with 8 MPa the confining pressure

圖7a和圖7b是分別以軸向應變和聲發射能量作為響應求出的LURR。后者與前者不同之處在于，70級荷載時LURR值有小范圍突增，這是因為隨著荷載水平的不斷提高，巖石內部損傷累計，微裂隙增大，巖樣內部發生局部破壞。但在圍壓作用下仍處于壓密狀態故而能繼續承載。巖樣內部的這些變化發出的聲發射波被傳感器檢測到，因此算出的LURR值有小幅度的突增。LURR值在83級荷載時出現突然增大又急劇回落的過程，隨后巖樣發生宏觀破壞，兩種參數作為響應得出的結論較為一致。圖7c和圖7d中考慮擾動累積效應時的LURR值同樣反映了巖石變形破壞過程。

圖7 15 MPa圍壓時大理巖加卸載響應特征Fig.7 Response of marble specimen under a conventional triaxial compression with 15 MPa the confining pressure

3.2 聲發射定位分析

三軸聲發射定位軟件設置與單軸相同，通過本文設計加工的上下壓頭，共放置4個聲發射傳感器，如圖8a所示，聲發射定位事件數如圖8b所示。

圖8 聲發射傳感器布置及8 MPa圍壓聲發射定位結果Fig.8 Layout of AE sensor and location of AE with 8 MPa the confining pressure

1, 2號傳感器裝在下壓頭上與巖樣下端面接觸，3, 4號傳感器裝在上壓頭上與巖樣上端面接觸。上下斷面傳感器連線成垂直狀態，以保證兩端面傳感器在不同平面，從而滿足三維定位要求。由于標準巖樣的斷面面積和聲發射傳感器的尺寸限制，上下壓頭共放置4個傳感器，三維定位至少也需要4個聲發射傳感器。造成試驗事件數偏少的原因可能是其中某個傳感器在巖樣加卸載過程中接觸不緊密或有損壞。

由圖8b可知，初始加載時，上端部聲發射比較集中，同時由于圍壓的作用，在巖樣圓周面附近也出現了比較分散的事件數。圍壓加載到恒定值時軸壓在30 MPa左右，此時聲發射事件在試件內呈分散分布，尚不足以反映試件破壞過程，其主要原因是該聲發射系統只配備了長方體定位，無法進行圓柱體定位，這還需要進一步改進。

4 結語

通過室內巖石單軸和三軸逐級加卸載擾動試驗，研究了巖石應變和聲發射能量的加卸載響應比特征，并分析了單次和累積效應條件下的LURR特征。試驗結果表明，單次統計效果較好，累積效應也能反映巖石變形破壞過程。

介紹了課題組研制的單三軸條件下聲發射定位加載轉換裝置，并應用于試驗中，解決了三軸腔表面定位存在的干擾和信號削弱等問題。

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（責任編輯：鄧光輝）

An Experimental Study on Load/Unload Response Ratio of Brittle Rocks Under Graded Load / Unload Disturbance

ZHU Fangcai1， TAN Yuanhui1， AI Chengcai2， LIU Bingxiao3
（1. School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. China Tower Tai’an City Branch Company，Tai’an Shandong 271000，China；3. Department of Accounting and Cost，Hunan Chemical Vocational Technology College，Zhuzhou Hunan 412006，China）

With the stopping of barrier pillars in metal mines the engineering background, a graded load-unload disturbance test of typical rocks has been conducted under uni-axial and conventional triaxial compression, with load / unload response ratio (LURR) theory applied in prediction of rock deformation and failure. An apparatus for loading conversion has been designed for the location of acoustic emission (AE), thus overcoming the interruption and reduction of AE signals in the process of the location of the surface of triaxial cavity. Experimental results show that, with axial strain and acoustic emission energy the LURR parameters, the deformation and failure process of rocks can be best reflected. Compared with two calculation methods including single and accumulation ones, LURR presents increment along with an increase in load, nevertheless, with the latter not so obvious as the former.

graded load/unload perturbation；load/unload response ratio；axial strain；acoustic emission

TD315

A

1673-9833(2016)06-0001-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.06.001

2016-09-13

湖南省自然科學基金資助重點項目（13JJ2033）

祝方才（1972-），男，湖北荊州人，湖南工業大學教授，博士，主要從事洞室和邊坡穩定方面的教學與研究，E-mail：zhufangcai@163.com