基于聲發(fā)射的深層砂巖裂紋發(fā)育分類研究

蔡國(guó)軍，周 揚(yáng)，陳世豪，賈 俊，李蘇申，羅巧麗

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，四川 成都 610059；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心/西北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心自然資源部黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

巖石在加載過程中內(nèi)部裂紋的擴(kuò)張及能量釋放等一系列問題[1-2]一直以來是巖土工程界關(guān)注的重點(diǎn)。目前，最常用的研究方法就是聲發(fā)射試驗(yàn)[3- 4]。巖石在載荷作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，并伴隨新裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，儲(chǔ)存的能量以彈性波的形式突然向外釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。巖石聲發(fā)射包含巖石材料在壓縮破壞過程中的許多信息，如時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)、能量、累計(jì)能量等參數(shù)。根據(jù)這些信息在時(shí)間、空間上的變化特征，可了解巖石材料的受力變形及破壞過程，建立起巖石聲發(fā)射特性與其變形過程的內(nèi)在聯(lián)系，揭示巖石材料的損傷、破壞機(jī)理[5- 6]。目前，對(duì)聲發(fā)射的研究十分廣泛，章思平等[7]對(duì)巖石試樣在靜、動(dòng)載下的聲發(fā)射能量特征參量進(jìn)行了研究；何正剛等[8]對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石聲發(fā)射波形分形進(jìn)行了研究；劉文德等[9]對(duì)單軸壓縮下巖石聲發(fā)射及其分形特征進(jìn)行研究，得到了巖石破裂過程的聲發(fā)射參數(shù)序列具有分形特征；宋璐璐[10]對(duì)基于聲發(fā)射能量判定指標(biāo)巖石破壞時(shí)刻預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究；劉蕩平等[11]對(duì)不同溫度作用后灰?guī)r聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究；謝和平等[12]將損傷力學(xué)和分形幾何相結(jié)合，應(yīng)用于巖石破裂全過程的分析中，建立了巖石分形理論；王艷升等[13]基于希爾伯特-黃變換(HHT)和聲發(fā)射(AE)主頻統(tǒng)計(jì)的巖石破壞進(jìn)程分析，證明了巖石的AE波形主頻與內(nèi)部微破裂模式有著緊密的聯(lián)系；沈忠等[14]對(duì)軟巖聲發(fā)射序列分形特征研究發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射序列分形是有限度的，超過一定限度不再分形；李庶林等[15]對(duì)巖石單軸多級(jí)循環(huán)加載聲發(fā)射分形特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射關(guān)聯(lián)維數(shù)能很好地反映巖石內(nèi)部損傷破壞的發(fā)展。

以上研究都是在改變外部試驗(yàn)條件和運(yùn)用不同試驗(yàn)手段，運(yùn)用聲發(fā)射對(duì)巖石進(jìn)行研究，運(yùn)用聲發(fā)射對(duì)巖石本身層面與垂直加載方向的不同夾角的研究很少。為此，本文取深層砂巖(取樣深度在4 316～4 470 m之間)，對(duì)巖石在不同角度加載過程中，聲發(fā)射與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及基于聲發(fā)射巖石裂紋分類進(jìn)行了研究和統(tǒng)計(jì)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

巖石的礦物成分對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)都有較大影響，對(duì)聲發(fā)射的活動(dòng)也具有較大影響。因此，了解巖石的礦物成分對(duì)更好地認(rèn)識(shí)巖石有重要的意義。本文利用X射線衍射，對(duì)深層砂巖進(jìn)行礦物成分分析。制樣時(shí)，按層理面與垂直加載方向夾角的不同，即0°、45°和90°方向(加載方向平行于層理方向?yàn)?°，垂直于層理方向?yàn)?0°)，制備3種巖樣，編號(hào)為SY- 0°、SY- 45°、SY- 45°。試驗(yàn)采用型號(hào)DX-2700衍射儀(見圖1)。通過該儀器測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行X射線的發(fā)生、測(cè)角的控制和數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，結(jié)果可作為物相定性、定量分析、結(jié)晶度分析、晶胞參數(shù)的測(cè)定和衍射數(shù)據(jù)指標(biāo)化的參考依據(jù)。X衍射圖譜見圖2。圖2中，2θ為儀器與試樣測(cè)量角；d為礦物的不同粒徑。巖石礦物含量見表1。

圖1 DX-2700衍射儀

圖2 X射線衍射圖譜

對(duì)深層砂巖進(jìn)行的礦物成分的定量分析發(fā)現(xiàn)，石英和長(zhǎng)石這2種礦物成分含量較多，導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度較高。其中，石英含量在54%～63%之間，其對(duì)應(yīng)衍射強(qiáng)度也最高，由于石英這種質(zhì)地堅(jiān)硬的礦物存在，巖石在破壞時(shí)伴有較強(qiáng)的聲發(fā)射信號(hào)；長(zhǎng)石含量為13%～23%，其衍射強(qiáng)度也相對(duì)偏高。巖石中硬度較小的伊利石和綠泥石含量約為16%。

表1 砂巖礦物組成定量分析 %

2 聲發(fā)射結(jié)果分析

本文采用室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)深層砂巖試樣進(jìn)行聲發(fā)射特性參數(shù)測(cè)試，研究巖石在不同方向上加載聲發(fā)射之間的規(guī)律。巖樣破壞情況見圖3。本文使用的聲發(fā)射時(shí)間序列參數(shù)包括聲發(fā)射事件、能量、累積能量、振鈴計(jì)數(shù)和幅值等。圖4、5為深層砂巖在單軸壓縮過程中不同方向上的聲發(fā)射事件數(shù)、能量、累積能量和應(yīng)力隨加載時(shí)間變化的關(guān)系。從圖4、5可知，巖石在單軸壓縮過程中，不同角度對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和聲發(fā)射參數(shù)，隨時(shí)間的變化都不相同。

圖3 砂巖破壞

圖4 單軸試驗(yàn)聲發(fā)射事件、應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系

圖5 單軸試驗(yàn)聲發(fā)射能量、累積能量、應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系

(1)SY- 0°加載初期有極少量聲發(fā)射出現(xiàn)，但在22 s時(shí)，能量有1次急劇增大，此段時(shí)間較短；此后，巖石在70、83 s出現(xiàn)2次較大的破裂，并且在發(fā)生較大破裂前都有很明顯的聲發(fā)射信號(hào)；之后直到破壞前，出現(xiàn)聲發(fā)射平靜期，破壞時(shí)又伴有明顯的聲發(fā)射信號(hào)。

(2)SY- 45°加載初期，巖石仍然只有很少量的聲發(fā)射出現(xiàn)，在58、82、96 s時(shí)有3次較為明顯的微破裂，微破裂前，也有很明顯的聲發(fā)射信號(hào)；之后，出現(xiàn)一小段平靜期，直到巖石破壞再次出現(xiàn)比較強(qiáng)的聲發(fā)射信號(hào)。值得注意的是，由于聲發(fā)射事件數(shù)和聲發(fā)射信號(hào)的振幅沒有關(guān)系，而能量卻反映了聲發(fā)射信號(hào)的振幅，這就是聲發(fā)射事件數(shù)維持在很低的水平，而能量卻保持在很高的水平的原因。

(3)SY-90°加載初期，巖石還是只有少量的聲發(fā)射信號(hào)，之后有一系列聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)，并在118 s時(shí)出現(xiàn)1次很大的破裂。其原因是因?yàn)榧虞d方向垂直于層理面，導(dǎo)致能量一直累積，最終發(fā)生1次較大的破裂。對(duì)比于0°、45°時(shí)，巖石在加載過程中發(fā)生了多次的微小破裂，這與傾角的不同有一定關(guān)系。之后，出現(xiàn)了一段聲發(fā)射平靜期，直到巖石破壞產(chǎn)生較大聲發(fā)射。

3 基于聲發(fā)射的巖石裂紋發(fā)育研究

巖石在單軸壓縮試驗(yàn)中破壞主要是內(nèi)部微裂紋萌生、擴(kuò)張和貫通的過程。在力的作用下，巖石破壞類型有張拉破壞和剪切破壞。隨著加載的進(jìn)行，兩者之間所占的比例上在不斷變化。理清巖石在各加載階段中，張拉破壞和剪切破壞之間的變化情況，對(duì)研究巖石破壞機(jī)理并最終指導(dǎo)工程實(shí)踐有一定的意義。

3.1 聲發(fā)射的裂紋分類理論

JCMS—IIIB 5706(2003)[16-17]提出了一種檢測(cè)和分類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展的方法。JCMS—IIIB 5706(2003)常見裂紋分類方法見圖6。圖6中，RA為聲發(fā)射參數(shù)中的上升時(shí)間和最大振幅的比值；AF為聲發(fā)射計(jì)數(shù)和持續(xù)時(shí)間的比值。本文利用該方法，對(duì)本次試驗(yàn)過程中所伴隨的破壞方式進(jìn)行分類研究。利用巖石試樣表面安裝的聲發(fā)射傳感器檢測(cè)到微裂紋引起的聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射信號(hào)通過處理器處理，得到聲發(fā)射參數(shù)，并由聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)記錄和存儲(chǔ)。

圖6 常規(guī)裂紋分類

一般來說，低RA值和高AF特征的聲發(fā)射信號(hào)意味著張拉裂紋的萌生或擴(kuò)展貫通；相反，高RA值和低AF特征的聲發(fā)射信號(hào)一般表示剪切裂紋的萌生或擴(kuò)展貫通。

3.2 基于聲發(fā)射裂紋分類研究

根據(jù)JCMS—IIIB 5706提出的方法，對(duì)按3個(gè)方向制備的試樣的聲發(fā)射時(shí)間序列中的上升時(shí)間、最大振幅、振鈴計(jì)數(shù)和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了分析，得到RA和AF的值。對(duì)3組試樣的RA和AF全部數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，得到單軸加載條件下的RA-AF協(xié)方差矩陣的散點(diǎn)分布圖(見圖7)。由于1個(gè)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)時(shí)間序列代表1次巖石破裂，區(qū)分張拉破壞裂紋和剪切破壞裂紋為RA和AF散點(diǎn)圖的對(duì)角線連線的直線(對(duì)角線斜率K=0.01)，并由此統(tǒng)計(jì)了3組試樣在單軸壓縮條件下各加載階段中張拉破壞和剪切破壞的聲發(fā)射計(jì)數(shù)，見表2。從圖7和表2可知，同一塊巖石，不同的制備方向上的破壞形式存在一定偏差。

表2 3個(gè)方向張拉、剪切裂紋在不同應(yīng)力區(qū)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)

圖7 RA-AF散點(diǎn)分布

(1)SY- 0°張拉裂紋數(shù)據(jù)點(diǎn)與剪切裂紋數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量相當(dāng)，但還是以張拉裂紋居多。初始階段，巖石以張拉裂紋擴(kuò)散，剪切裂紋只有張拉裂紋的一半。隨著加載繼續(xù)到應(yīng)力區(qū)間為0.4～0.5 MPa時(shí)，剪切裂紋開始增加，直到巖石破壞時(shí)剪切裂紋與張拉裂紋大致持平。可以判斷，巖石破壞是張拉、剪切共同作用導(dǎo)致的。

(2)SY- 45°張拉裂紋數(shù)據(jù)點(diǎn)要遠(yuǎn)大于剪切裂紋數(shù)據(jù)點(diǎn)。巖石加載初期，主要以張拉裂紋擴(kuò)散。應(yīng)力區(qū)間為0.5～0.6 MPa時(shí)，剪切裂紋開始增加，但增加的幅度有限，到巖石破壞，張拉裂紋大致是剪切裂紋的2倍。巖石破壞以張拉破壞為主。

(3)SY-90°張拉裂紋數(shù)據(jù)點(diǎn)也遠(yuǎn)大于剪切裂紋數(shù)據(jù)點(diǎn)。初始階段，巖石仍以張拉裂紋擴(kuò)散。應(yīng)力區(qū)間為0.4～0.5 MPa時(shí)，剪切裂紋開始增加且增加劇烈。此后，剪切裂紋在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，直到破壞時(shí)剪切裂紋超過了張拉裂紋。巖石雖然是以張拉、剪切共同作用，但以剪切破壞為主。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)深層砂巖層理面與垂直加載方向夾角不同的巖樣進(jìn)行了X衍射試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)，對(duì)其聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了分析，并對(duì)加載過程中的裂紋類別進(jìn)行了分類，得到以下結(jié)論：

(1)在加載初期，不論垂直加載方向與層理傾角如何，加載初期都只是微裂紋在力的作用下發(fā)生閉合而產(chǎn)生的少量聲發(fā)射活動(dòng)。

(2)軸向應(yīng)力變化趨勢(shì)隨著角度的增加而增加，即軸向應(yīng)力SY- 0°

(3)砂巖在加載初期，不論巖石的加載方向如何，都主要以張拉裂紋的方式進(jìn)行擴(kuò)散，剪切裂紋開始增多主要發(fā)生在應(yīng)力區(qū)間為0.4～0.6 MPa的階段，該階段對(duì)應(yīng)巖石塑性變形階段，表明在塑性階段剪切裂紋開始增加，之后剪切裂紋穩(wěn)定上升或在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

(4)從巖石破壞形式來看，SY- 0°是張拉、剪切共同作用導(dǎo)致的，SY- 45°以張拉破壞為主，SY-90°是張拉、剪切共同作用，但以剪切破壞為主。

(5)對(duì)所有RA-AF散點(diǎn)分布圖中的點(diǎn)統(tǒng)計(jì)可知，張拉裂紋點(diǎn)高于剪切破壞點(diǎn)，即在整個(gè)加載過程中，張拉裂紋居多。