類巖石材料變形損傷與波速關系試驗研究

張金浩 陳洪凱 王賀

摘要：通過單軸壓縮試驗結合超聲波量測，得到波速隨加載過程的變化值，以此定義類巖石材料的損傷點。試件在制作和成型過程中不可避免地存在初始損傷，將其定義為第一損傷點；當試件局部有裂紋出現，波速隨應變的增大陡然減小，將其定義為第二損傷點；隨即利用超聲波儀器檢測該局部波速的變化，當波速明顯急劇減小時，說明已經達到損傷極限值，將其定義為第三損傷點。根據試驗實測數據，采用分段曲線擬合，得到基于波速變化的損傷演變試驗模型。

關鍵詞：單軸壓縮試驗；超聲波量測；損傷點；變形損傷；類巖石材料

中圖分類號：TU458

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.022

大多數地下工程結構（擋土墻、樁基礎、隧道襯砌）由類巖石材料構成，其處于受壓狀態，隨著壓力的施加，材料內部易出 現微裂縫延伸和擴展，造成損傷積累，最終出現結構變形失穩，導致工程整體發生破壞，甚至造成巨大的經濟損失和人員傷亡。因此，開展類巖石材料變形損傷檢測試驗研究相當重要。

近年來，超聲波技術以儀器體積小、操作簡捷、判別缺陷清晰等優點，在檢測結構的損傷缺陷中得到了廣泛應用。史瑾瑾等針對巖石試樣進行了損傷沖擊試驗，探究了波速變化率與巖石試樣損傷程度之間的關系；張曉春等 利用小波變換分析巖石超聲波檢測信號，了解到巖石內部結構特性和物理力學特性，建立了巖石超聲測試試驗系統；韓放等使用超聲波對巖石損傷擴展進行實時觀測，利用檢測結果對巖石試樣的損傷程度進行了定量分析；翟小潔等 通過超聲波對單軸壓縮試驗中巖石擴容現象進行測試，證明了不同巖石在單軸壓縮過程中擴容的時間和程度存在差異；鄭志遠等測量了超聲波在巖石中的傳播速度，對巖石成分、孔隙度、吸水量以及巖石溫度等參數對超聲波傳播速度的影響進行了分析；梁天成等對巖樣進行單軸受壓試驗，實時測量了試件損傷過程中的超聲波波速和聲發射參數，探討了損傷擴展中波速與聲發射之間的變化規律：吳振祥等利用小波變換的多分辨率理論對不同循環次數下的巖石超聲波信號進行分解變換，實現不同頻帶分量的獨立分析，提取隨損傷敏感變化的波譜參數：李浩然等 通過單軸加載及循環荷載試驗，對鹽巖變形破壞特征及聲波、聲發射活動規律進行了深入研究；梁利喜等基于波動理論和有限差分方法，進行聲波透射數值模擬試驗，研究巖體孔洞形狀、尺寸、分布及密度對聲波衰減系數的影響；李成波等采用回歸分析方法建立了巖石介質中彈性參數與波速的關系；許延春等 通過室內試驗模擬巖體裂隙及注漿過程，應用超聲波檢測技術測定巖體在不同裂隙寬度下的聲波傳播速度，并對比分析了巖體注漿前后、干式狀態及濕式狀態的波速變化規律；李浩然等利用巖石聲波系統研究了單軸荷載、循環荷載以及三軸壓縮試驗中鹽巖的變形破壞特征與聲波、聲發射活動規律；朱維等 通過數值模擬以及不同巖石的超聲檢測試驗，分析了巖石特性對編碼信號脈沖壓縮性能的影響。筆者在前人研究的基礎上，以類巖石試件損傷點為研究對象，利用單軸壓縮試驗和超聲波檢測技術，研究加載過程中超聲波波速的變化，分析試件的變形損傷演變過程。

1試驗模型的建立

模型材料普通硅酸鹽水泥、河砂、水的配合比為1：3：0.72，模型試件尺寸為150mm×150mm×150mm。試件成型后養護至規定齡期（28d）進行試驗。選擇試件的對稱面畫上網格線，以便于超聲波量測點對中，對稱面上布置的超聲波量測點Ll#～L7#是發射點，Rl#～R7#是接收點，見圖1。利用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT-301多功能電液伺服試驗機進行巖石的單軸壓縮試驗，采用位移控制，中等位移速率為0.002mm/s，逐級施加荷載至試件破壞，每一級荷載增加量為1.5MPa，加載后保持1～2min，用DJUS-05非金屬超聲波儀對波速進行量測。

2試驗結果分析

如果假設巖石是由巖石母質和微裂紋所組成的各向同性體，則可采用超聲波的波速來定義巖石的損傷

。根據單軸壓縮試驗數據，選取5個試件進行分析，5個試件各測點在加載過程中波速與應變關系見圖2。

測點1#、2#、3#的初始波速值比較接近，測點5#、6#、7#的初始波速值比較接近。原因是測點1#、2#、3#布置在試件的上半部分，測點5#、6#、7#布置在試件的下半部分，試件在成型過程中，由于拌制和振搗使得上半部分的砂漿因自重而向下半部分的微孔洞、氣孔滑移，另外試件上半部分在養護過程中水分的蒸發量比下半部分大，導致上半部分的密實效果沒有下半部分好，因此測點1#、2#、3#的初始波速值比測點5#、6#、7#的初始波速值小。4#測點密實效果處于上、下半部分之間，因此會出現初始波速值不同于其他測點的現象。

整個波速與應變曲線可分為4個區，見圖3。

（1）損傷彈性區。波速一應變曲線平穩，波速變化不大。試件在制作和成型過程中不可避免地存在初始損傷（微裂隙、氣泡等），當荷載較小時，整個試件受力處于損傷彈性階段，卸載時損傷可以恢復。圖3中ε0對應損傷彈性臨界點，定義為第一損傷點。

（2）損傷過渡區。繼續加載，試件表面局部出現裂紋，波速隨應變的增大陡然減小，損傷不能恢復，若停止加載，則裂紋擴展中止。圖3中εc 對應彈性損傷與塑性損傷分界點，定義為第二損傷點。

（3）損傷擴展區。繼續施加荷載，損傷累積，表面裂紋開始擴展，波速隨應變的增大明顯減小；試件內部原有微裂縫發展延伸，導致微裂縫之間擴展貫通，初始裂縫寬度顯著增大，裂縫擴展極不穩定，損傷區范圍擴大，但還沒有發生失穩破壞。圖3中εu對應應力峰值點，定義為第三損傷點。

（4）斷裂擴展區。表面裂縫不斷擴展，新的裂紋將沿著一條或多條薄弱的路徑逐漸貫通，超聲波的波速隨著應變的增大驟然減小，試件由連續性介質逐步變成不連續性介質，最終發展到全損傷狀態，試件喪失承載能力發生破壞。

綜上所述，利用波速的變化可以監測試件的變形，試件局部出現裂紋表明材料已經發生塑性損傷，此時利用超聲波儀器檢測波速的變化，當波速急劇減小時，說明試件已經達到損傷極限值，需要及時采取措施增強其穩定性。

3損傷演變模型的建立

將巖石視為各向同性，因此各個測點的波速隨應變的變化是相同的。選取3#測點試驗數據進行分段擬合，得到波速與應變關系表達式（見表1）。

基于波速變化的損傷演變試驗模型為式中：a、b、c、d、e、f、g為曲線參數，通過實測數據求得。

式（1）需滿足連續性條件，將（ε0，v0）、（εc，vc）代人v=aε+b，整理得：

4結語

（1）將巖石視為各向同性，通過單軸壓縮試驗結合超聲波量測，得到加載過程中波速的變化值，從試驗結果來看，所有試件具有相似的波速一應變曲線。

（2）根據波速一應變曲線定義材料的損傷點；試件在制作和成型過程中不可避免地存在初始損傷，為第一損傷點；當試件局部出現裂紋時，表明結構已經發生塑性損傷，定義為第二損傷點；利用超聲波儀器檢測該局部波速，當波速急劇減小時，說明已經達到損傷極限點，定義為第三損傷點。

（3）對試驗數據進行分段擬合，得到了基于波速變化的損傷演變試驗模型。

（4）超聲波頻率越高，探測距離越小，精度越高，用來檢測變形損傷是可行的。

本次試驗條件有限，采用水泥砂漿試件模擬巖石存在一定的局限性。今后將對不同巖石材料展開試驗研究，以獲取更為貼切的試驗數據，深入研究類巖石材料的變形損傷機理。