單軸壓縮下不同含水狀態砂巖損傷演化試驗

田芯宇，趙伏軍,2*，劉永宏，陳 彪，陳品崟

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭411201)

在荷載作用下，巖石內部原有的微裂隙、微孔隙因外界作用進一步擴展，隨著荷載的不斷增加，巖石變形逐漸增大，巖石內部的微缺陷不斷變化，微破裂將在一個臨界點發生質的變化，儲存的能量以彈性波的形式迅速釋放，最終導致巖石破壞。因此，利用巖石變形破壞過程中產生的聲發射和電磁輻射現象檢測細觀組織結構變化及宏觀力學性能變化，能更好地研究巖石破壞機制及損傷演化規律。國內外學者對巖石破壞過程中聲發射和電磁輻射特性進行了一系列試驗研究，取得了豐碩的研究成果。Jia等[1]通過力學性能和實時聲發射(AE)測試，研究了三軸壓縮條件下不同深度煤體損傷的時空演化規律。高保彬等[2]通過不同破壞類型的煤巖進行單軸壓縮試驗，發現了煤巖聲發射信號具有分形特征。楊睿[3]發現了三軸壓縮作用下飽水狀態試樣聲發射信號存在“滯后”現象。郝以瑞等[4]研究了砂巖常規壓縮下的聲發射特征及損傷演化規律。高子興等[5]利用聲發射檢測技術研究了不同含水狀態巖石破裂的損傷演化規律。姚歡迎等[6]研究了頁巖單軸壓縮聲發射特征，首次提出受載巖石損傷先減小后增大，建立了更加合理的損傷本構模型。王恩元等[7-9]對受載巖石進行電磁輻射特性研究，研究表明電磁輻射能很好地反映巖石破碎變形。宋曉艷等[10]通過對含預制裂隙粉砂巖進行單軸壓縮試驗，發現原生巖樣破壞的電磁輻射強度高于含預制裂紋巖樣的電磁輻射強度。樊勇等[11]利用分形理論對花崗巖單軸壓縮過程中產生的電磁輻射脈沖數進行了分形特征分析。

綜觀上述研究，其成果主要集中在巖石破壞過程中聲電效應研究，而關于不同含水狀態下巖石聲發射和電磁輻射的損傷特性研究較少，因此，本文以紅砂巖為研究對象，進行不同含水狀態巖石的單軸壓縮試驗，同時監測聲發射和電磁輻射信號，對干燥、自然、飽水三種狀態下巖石破碎損傷特性進行研究與分析，為巖石失穩破壞的前兆預警提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗加載系統

試驗系統主要包括RMT-150C巖石力學試驗機、AEwin-USB型聲發射信號采集系統和KBD5電磁輻射采集系統(圖1)。為保證聲發射信號和電磁輻射信號的采集效果，在試件和聲發射探頭之間涂抹耦合劑，同時在試驗裝置上加蓋防輻射材料。加載方式采用位移控制式，加載速率為0.002 mm/s。聲發射儀門檻值設定為45 dB，聲發射系統總增益值設為76 dB(其中前放增益值為40 dB，主放增益值為36 dB)。

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

1.2 試樣制備

1.2.1 試驗材料選取及分類

試驗選用紅砂巖材料，試樣尺寸為Φ50 mm×100 mm，不平行度和不垂直度低于0.02 mm。不同含水狀態設為干燥狀態、自然狀態和飽水狀態三種，每種狀態對應3個試樣，試樣的分類編號如表1所示。

表1 試樣分類

1.2.2 不同含水狀態砂巖制備及分類

根據試驗要求，3種不同含水狀態紅砂巖具體制備方法如下：①干燥狀態試樣：將試樣放在108°的干燥箱烘干48 h。②自然狀態試樣：將加工完成的巖樣直接用保鮮膜包裹好。③飽水狀態試樣：根據《水利水電工程巖石試驗規程》(SL264—2001)自由吸水法的步驟，先將水浸沒試件1/3的位置，12 h后將水位加至2/3高度，再過12 h后，使試件全部浸入水中，浸泡30 d后飽水試件制作完成。

2 試驗結果及分析

2.1 力學特征分析

三種含水狀態紅砂巖單軸壓縮所得到的應力應變曲線如圖2所示，其全應力-應變曲線特征大致相同，都可以看作經歷了壓密、彈性、屈服和破壞4個階段：①壓密階段(OA段)：三種狀態試件全應力-應變曲線呈上凹型，并且在此段中非線性特征較為明顯，這是由于巖石內部原本存在的微小裂隙或孔隙被逐漸壓密。②彈性變形與裂隙發展階段(AC段)：巖石隨著內部裂隙的變化，從彈性變形階段(AB段)進入裂隙穩定發展階段(BC段)。③屈服階段(CD段)：C點為屈服點，表示巖石從彈性階段進入塑性階段。進入本階段后，試樣裂隙迅速擴展，試樣體積由壓縮變為擴容。④破壞后階段(D點以后段)：在此階段中巖石內部微裂隙迅速交叉擴展直至試件完全破壞，巖石應力達到峰值強度后迅速跌落。

圖2 三種含水狀態紅砂巖全應力-應變曲線Fig.2 Total stress - strain curves of red sandstone in three water-bearing states

2.2 聲發射及電磁輻射特征分析

在單軸壓縮過程中，不同含水狀態應力-時間聲發射信號特征曲線如圖3所示，應力-時間-電磁輻射信號特征曲線如圖4所示。從圖3和圖4可以看出，巖石的聲發射和電磁輻射特征曲線均可分為壓密、彈性、屈服和破壞四個階段。加載初期即為巖石壓密階段，應力增長緩慢，三種不同含水狀態下的砂巖的聲發射信號較弱，但電磁輻射脈沖數出現較強信號；隨后進入彈性階段，飽水狀態試樣的聲發射信號相較于干燥與自然狀態增長不明顯，這是由于巖石內部微裂隙被水“軟化”，導致產生的聲發射信號變弱，此時電磁輻射信號維持在某個值附近，沒有較大變化趨勢；隨著載荷的不斷增加，巖石進入應力屈服階段，微裂隙快速發展，出現了質的變化，彈性能大量釋放，干燥與自然試樣聲發射信號迅速增加，該過程中的電磁輻射脈沖數和電磁輻射最大值也迅速增加；當試樣進入破壞階段后，裂隙迅速發展、貫通，直至試樣完全破壞，應力與聲發射和電磁輻射信號達到峰值強度?？偟膩碚f，聲發射、電磁輻射信號特征曲線和巖石全應力-應變曲線具有較好的一致性，但電磁輻射的整體信號變化規律與應力-應變曲線的吻合度沒有聲發射信號特征曲線高。

圖3 不同含水狀態巖樣應力-時間-聲發射信號特征曲線Fig.3 Characteristic curves of stress-time-AE signals of rock samples in different water-bearing states

圖4 不同含水狀態巖樣應力-時間-電磁輻射信號特征曲線Fig.4 Characteristic curves of stress-time-Electromagnetic radiation signals of rock samples in different water-bearing states

3 損傷特征分析

3.1 損傷演化特性

對于損傷演化方程的建立方法有很多，文獻[12]中提到Weibull分布函數可近似反映微元強度等力學參數的不同，因此本文采用Weibull分布函數來建立試樣微元損傷率φ(ε)的方程，即有：

(1)

式中：ε為試樣受壓過程中的應變值；m為試樣的結構參數；α為式樣的尺度參數。

研究巖石在破壞過程中的損傷特性常利用損傷變量D來確定其劣化程度，D與φ(ε)有如下關系：

(2)

聯立式(1)和式(2)可得損傷變量D為：

(3)

若無損巖樣斷面發生完全破壞時的聲發射累計振鈴計數為E0，E為巖樣應力值為ε時的累計振鈴計數，則有：

(4)

同理，N0為無損巖樣斷面發生完全破壞時的電磁輻射累計脈沖數，N為巖樣應力值為ε時的累計脈沖數，有：

(5)

結合式(3)與式(4)，基于聲發射振鈴計數的損傷變量De與累計振鈴計數的關系有：

(6)

結合式(3)與式(5)，基于電磁輻射脈沖數的損傷變量Dn與累計脈沖數的關系有：

(7)

由式(6)得到基于聲發射振鈴計數的巖石應力、損傷變量與應變的關系(圖5)，由式(7)可得基于電磁輻射脈沖數的砂巖損傷演化過程(圖6)。結合圖5、圖6，根據損傷的發展速度將紅砂巖損傷演化過程大致分為三個階段：(Ⅰ)初始損傷階段：巖石內部微裂隙等變化很小，三種狀態的損傷值較小，損傷曲線斜率都較小，增長趨勢較為緩慢，但電磁輻射損傷值比聲發射損傷值增長較明顯，這是由于電磁輻射脈沖數在加載初期就具有一定的強度；(Ⅱ)損傷持續增長階段：巖石開始出現不可恢復的變形，裂紋增多，該階段的聲發射損傷曲線呈下凹型，電磁輻射損傷曲線斜率變大，砂巖損傷速度變快；(Ⅲ)損傷快速增長階段：聲發射和電磁輻射的損傷曲線都呈上凸型，當應力達到峰值，損傷變量值也達到1。總的來說，損傷變量特征曲線與巖石應力應變曲線有著較好的一致性，能反映巖石的損傷演化規律及其破壞過程，為巖石失穩預警提供了理論依據。

圖5 基于聲發射振鈴計數的三種含水狀態下的應力-應變-損傷變量關系曲線Fig.5 Stress-strain - damage variable relation curves based on acoustic emission bell count in three water-bearing states

圖6 基于電磁輻射脈沖數的三種含水狀態下的應力-應變-損傷變量關系曲線Fig.6 Stress-strain - damage variable relation curves of three water-bearing states based on the number of electromagnetic radiation pulses

3.2 不同含水狀態巖樣損傷特性

由于聲發射與電磁輻射信號的產生都和裂紋的產生與擴展有關，而裂紋的產生又會受到水的影響，因此不同含水狀態巖樣的損傷規律就會不同。表2、表3為不同含水狀態巖樣損傷演化過程中的各階段聲電信號特征值所占比例。由表2、表3縱向對比可以看出，當處于初始損傷階段時，干燥、自然和飽水狀態的振鈴計數分別占各自累計振鈴計數的3.2%、4.6%和6.9%，對應的脈沖數分別占各自累計脈沖數的8.7%、12.3%、16.8%；損傷持續增長階段中，干燥、自然和飽水狀態的振鈴計數所占比例分別為11.5%、18.6%和29.1%，三種狀態的脈沖數所占比例分別為21.6%、22.6%、23.7%，上述兩個階段中含水巖樣的聲電信號所占比例明顯高于干燥巖樣，這是由于在試驗前期應力較低時，巖樣內部微裂紋水的軟化作用下強度降低，裂紋持續產生與擴展，從而產生了更多的聲電信號；而在損傷快速增長階段中，干燥、自然和飽水狀態的振鈴計數所占比例分別為85.3%、76.8%和64%，三種狀態的脈沖數所占比例分別為69.7%、65.1%、59.5%，可以看出隨著應力的增加，干燥狀態巖樣的聲電信號所占比例超過了含水巖樣，這是因為其內部微裂紋逐漸達到了屈服極限，積攢的彈性能快速釋放所造成的。而從橫向對比可知，隨著損傷程度的加深，振鈴計數和脈沖數所占比例也隨之增加。綜上可得，在不同損傷演化階段中聲電信號的所占比例能很好地反映巖石的損傷演化規律，且含水狀態的改變對巖石的損傷演化規律具有一定的影響。

表2 砂巖損傷演化過程中聲發射振鈴計數各階段所占比例

表3 砂巖損傷演化過程中電磁輻射脈沖數各階段所占比例

4 結論

1)隨著含水狀態的改變，試樣強度發生改變，聲發射和電磁輻射信號也有所改變。聲發射、電磁輻射信號特征曲線和巖石全應力-應變曲線具有較好的一致性，能反映巖石的損傷演化規律及其破壞過程，為巖石失穩預警提供了理論依據。

2)基于聲發射振鈴計數和電磁輻射脈沖數建立的損傷演化模型能夠較好地反映巖石變形過程中破裂的發展，可將紅砂巖損傷演化過程分為初始損傷、損傷持續增長、損傷快速增長三個階段。

3)隨著損傷程度的加深，振鈴計數和脈沖數所占比例也隨之增加，不同損傷演化階段中聲電信號所占比例能很好地反映巖石的損傷演化規律。

4)在初始損傷和損傷持續增長階段中，飽水狀態振鈴計數和脈沖數所占比例最高，干燥狀態最低，在損傷快速增長階段則相反，含水狀態的改變對巖石的損傷演化規律具有一定的影響。