裂隙巖石應力松弛特性及聲發射試驗

張默涵, 俞縉, 常旭, 劉士雨, 涂兵雄

(華僑大學 福建省隧道與城市地下空間工程技術研究中心, 福建 廈門 361021)

巖石的流變行為是工程領域中普遍存在的現象,通常發生在地下洞室、巷道及隧道.一般來說,流變行為包括蠕變和應力松弛,應力松弛對預測硐室圍巖的長期強度、評估地下洞穴的安全性和穩定性,以及預防地下工程建設帶來的災害等方面均起著重要影響[1-2],因此,開展巖石應力松弛力學特性研究具有重要的理論和實踐意義.

目前,國內外眾多學者對巖石的應力松弛特性開展了大量的理論和試驗研究,唐禮忠等[3]發現在峰值荷載變形條件下,巖石的應力松弛是間斷的、陣發式的;Tian等[4]發現與常規三軸試驗相比,松弛后砂巖的破壞強度降低;熊良宵等[5]發現應力松弛曲線的臺階數與巖石完整性有著顯著的關系;Adoko等[6]將應力松弛分為部分松弛、切向松弛和完全松弛3種類型;文獻[7-9]發現在較低應變或是應力條件下,巖石松弛曲線表現出非完全衰減型松弛特征,并提出了本構模型描述松弛過程;劉志勇等[10]發現平行片理組和垂直片理組巖樣的應力松弛曲線均可分為快速松弛、減速松弛和穩定松弛3個階段;Yang等[11]發現預裂花崗巖的松弛行為高度依賴于單軸壓力值和圍壓;Zhu等[12]明確循環擾動后深部巖石的松弛特征;Yu等[13]發現循環微擾動松弛試驗中應力松弛量隨應變增大而增大.

上述研究主要針對完整巖石,而自然界中存在著大量帶有初始缺陷的裂隙巖石.與完整巖石相比,裂隙巖石的力學性質有著很大的差異,而且裂隙巖石是在整個地質歷史時期形成和存在的,經受過各種復雜而不均衡的地質作用,并最終賦存在一定的地質環境中.因此,裂隙巖石的變形和強度特征要比完整巖石復雜的多,裂隙的存在可能會給地下洞室開挖、邊坡穩定等工程帶來潛在的威脅,導致巖體工程的失穩和破壞[14-18].目前,對裂隙巖石研究少量集中在蠕變方面[19-20],而對裂隙巖石應力松弛特性的研究幾乎沒有,鑒于此,本文對裂隙巖石應力松弛特性及聲發射試驗進行研究.

1 巖樣制備與試驗方法

1.1 巖樣加工

試驗巖石取自廣西省賀州市平桂區水井山礦區的白色大理巖石,其主要礦物成分為方解石(99%)、白云石,孔隙度約為1%,吸水率約為0.2%.通過取芯、切割、磨削等,將大理巖加工成直徑為50 mm、高為100 mm、上、下端面不平整度小于0.05 mm的圓柱體(巖樣),巖樣的平均質量為527.9 g.為減小離散性,對顏色均勻、表面無明顯裂紋的巖樣進行波速測試,測得波速為3 188.43～3 566.96 m·s-1.挑選出波速相近的巖樣,用線切割機對選取的巖樣進行裂隙加工,得到長為20 mm、厚為1.5 mm、深度完全貫通、傾角為30°,45°,60°,75°裂隙大理巖樣.加工后的裂隙大理巖樣,如圖1所示.

圖1 加工后的裂隙大理巖樣Fig.1 Fractured marble samples after processing

1.2 試驗設備

試驗采用的三軸試驗系統是由吉林省長春市科意試驗儀器有限公司與華僑大學聯合研發的TFD-2000/D型巖石動態擾動伺服三軸試驗系統.軸向壓力負載由伺服油源控制,負載值由電腦控制系統設定,最大負載為2 000 kN.聲發射系統采用DS5-16B型全信息聲發射儀,該系統可以自動讀取、存儲聲發射信號,對試樣聲發射進行全過程實時監測.

1.3 試驗方案及步驟

對傾角為30°,45°,60°,75°的裂隙巖石進行單軸壓縮試驗,巖石力學參數,如表1所示.表1中：α為傾角;σ1,max為軸向峰值應力;ε1,max為軸向峰值應變;E為彈性模量.

表1 巖石力學參數Tab.1 Rock mechanical parameters

采用0.05 mm·min-1的軸向變形速率控制方式進行加載,直至破壞.軸向應力-應變曲線圖,如圖2所示.圖2中：σ1為軸向應力;ε1為軸向應變.

圖2 軸向應力-應變曲線Fig.2 Curves of axial stress-strain

應變水平劃分示意圖,如圖3所示.

圖3 應變水平劃分示意圖Fig.3 Division of strain level

單軸逐級加載應力松弛聲發射試驗有3個步驟： 1) 采用0.05 mm·min-1的軸向變形速率的控制方式使巖石試樣的軸向應變達到預設值,并進行應力松弛;2) 當軸向變形速率小于0.001 MPa·s-1時,即認為軸向應變所產生的應力松弛已基本趨于穩定,可以停止應變加載;3) 按同樣加載模式,使巖石進入下一級應變,并進行應力松弛,重復上述步驟,直至巖石破壞.松弛加載示意圖,如圖4所示.圖4中：ε1,1,ε1,2,ε1,3分別為3個不同的應變水平;Δt為松弛持續時間.

圖4 松弛加載示意圖Fig.4 Relaxation loading

在上述試驗過程中,同步進行聲發射監測,分別在上、下端每隔90°布置1個聲發射通道,共8個.聲發射通道示意圖,如圖5所示.圖5中：聲發射門檻值設置為40 dB;采樣頻率為2 MHz.

圖5 聲發射通道示意圖Fig.5 Acoustic emission channel

2 試驗結果與分析

2.1 軸向應力-應變

分別對傾角為30°,45°,60°,75°裂隙巖石和完整巖石進行逐級加載應力松弛試驗,逐級加載下軸向應力-應變曲線,如圖6所示.由圖6可知：裂隙巖石峰值軸向應力明顯小于完整巖石,且隨著傾角的增大,峰值軸向應力也隨之增大.經過應力松弛后,完整巖石和裂隙巖石的重新加載段曲線并沒有沿著原來的路徑上升,而是與應力松弛曲線有一定角度的偏離.

圖6 逐級加載下軸向應力-應變曲線Fig.6 Curves of axial stress-strain under step loading

由于逐級加載,前期的加載歷史會對巖石試樣的力學性質造成影響,因此,采用Boltzmann疊加原理將逐級加載應力松弛試驗曲線轉化為不同應變下的單級加載應力松弛曲線.單級加載下的軸向應力松弛曲線,如圖7所示.

(a) 完整巖石

由圖7可知：完整巖石、裂隙巖石軸向應力松弛曲線有著相似的形態,即使處于峰前、峰后階段的不同應變水平之下,應力松弛曲線的形態基本保持一致,即巖石進入松弛階段后,軸向應力隨著時間的增加先迅速減小,隨后軸向應力跌落平緩,最終逐漸趨于穩定.

由此,將軸向應力松弛曲線分為兩個階段,即快速松弛階段和慢速松弛階段.快速松弛階段的持續時間較短,軸向應力快速跌落,應力松弛量具有顯著的時間效應.慢速松弛階段持續時間較長,軸向應力緩慢減小,軸向應力與時間的關聯性較小,軸向應力最終趨于某一恒定值.

2.2 應力松弛度

為了表示應力松弛狀態的軸向應力衰減損失的程度,定義應力松弛度λ[9]為

λ=σi/σ0=(σ0-σr,i)/σ0.

式中：σ0為應力松弛開始時的初始軸向應力;σr,i為應力松弛開始第i時刻的軸向應力.

由定義可知,應力松弛度越大,松弛穩定后,軸向應力衰減損失的程度也就越大.

應力松弛度與應變水平關系圖,如圖8所示.由圖8可知以下3點結論.

圖8 應力松弛度與應變水平關系圖Fig.8 Relationship between stress relaxation degree and strain levels

1) 除傾角為30°,75°裂隙巖石應力松弛度分別在200%ε1,max,160%ε1,max處發生突增外,完整巖石和裂隙巖石的應力松弛度總體上均隨著軸向應變水平的增大,先增大后減小,且均在100%ε1,max處,應力松弛度出現最大值.

2) 與在80%ε1,max處相比,傾角為30°,45°,60°,75°裂隙巖石及完整巖石在100%ε1,max處,應力松弛度分別增加了1.10,1.03,0.50,0.15,0.09倍.在100%ε1,max處,裂隙巖石應力松弛度均比完整巖石的大,表明裂隙的存在降低了巖石的完整性和穩定性,從而使巖樣更容易發生變形;在100%ε1,max前,不同傾角的應力松弛度并無明顯規律,而在100%ε1,max后,傾角為45°,75°裂隙巖石的應力松弛度較傾角為30°,60°裂隙巖石的大.

3) 傾角為30°,75°裂隙巖石的應力松弛度均在200%ε1,max,160%ε1,max發生突增,與其他裂隙巖石整體變化趨勢不相符.這可能是因為傾角為30°,75°裂隙巖石200%ε1,max處于峰后殘余階段,此應變下的初始應力相對于峰前較小,在松弛過程中巖石內部的多條裂隙發生擴展、貫通形成宏觀破裂面,巖石宏觀結構的完整性遭到破壞,導致應力損失程度高,應力松弛度出現增大,這點還有待進一步研究,從而也體現裂隙對巖石松弛產生更加不利影響,可能會造成事故突發,難以預測,安全隱患巨大.因此,在工程中要高度重視裂隙所導致巖石應力松弛破壞的問題.

2.3 應力松弛速率

定義應力松弛速率vi[12]為

vi=Δσi/Δt.

式中：vi表示應力松弛量隨時間變化的快慢,vi越大,說明應力松弛過程中應力跌落越劇烈;Δσi為第i時刻的應力松弛量.

不同應變水平的初始應力松弛速率,如圖9所示.圖9中：v0為初始松弛速率.由圖9可知：完整巖石和裂隙巖石初始松弛速率均隨著應變的增大呈先增大后減小,最大初始應力松弛速率出現在100%ε1,max處;在100%ε1,max時,裂隙巖石初始應力松弛速率均比完整巖石的大,最大初始應力松弛速率出現在傾角為45°裂隙巖石,其次是傾角為75°,30°,60°裂隙巖石,這4種裂隙巖石初始應力松弛速率分別是完整巖石的1.4,1.3,1.2,1.1倍;傾角為30°,60°,75°裂隙巖石在破壞前倒數第2級應變的初始應力松弛速率較其上一級應變的初始松弛速率出現增大現象,且均在峰后殘余強度段出現失穩破壞.

圖9 不同應變水平的初始應力松弛速率Fig.9 Initial stress relaxation rates of different strain levels

由節2.1,2.2可知：完整巖石與裂隙巖石在100%ε1,max前、后的應力松弛特性存在著明顯差異,這主要是因為100%ε1,max前,巖石應力松弛主要是由于巖石內部微裂隙的產生、擴展等原因而引起的,而100%ε1,max后,巖石應力松弛過程主要是由于巖石中宏觀裂紋的產生、擴展以及貫通等.因此,在工程實踐中要避免使巖石處于峰值階段、峰后應變軟化階段和峰后殘余強度段,特別是對于裂隙巖石而言,應盡可能地提前采取相應的支護加固措施來確保工程的安全與穩定.

3 聲發射試驗及破壞特征

3.1 聲發射特征

振鈴計數變化圖,如圖10所示.圖10中：n為振鈴計數.由圖10可知：完整巖石和裂隙巖石的聲發射事件均呈簇狀分布;在每一級加載段都存在著聲發射信號,且呈連續分布狀態;在應力松弛段的聲發射信號主要集中在快速松弛階段,另外在慢速松弛階段聲發射信號零星出現.

(d) α=60°裂隙巖石 (e) α=75°裂隙巖石圖10 振鈴計數變化圖Fig.10 Variation of ringing count

由圖10還可知：振鈴計數最大值均發生在最后一級加載破壞段,其次是軸向峰值應力處;完整巖石在第2級(屈服階段)的振鈴計數最大值與第3級(峰值階段)的有顯著差別,而裂隙巖石第2級振鈴計數最大值與第3級相差較小.由于振鈴計數反映巖石內部裂隙的發育、擴展、貫通和擴展演化規律,在加載階段和快速松弛階段,內部裂隙的發育、擴展、貫通更加劇烈,裂隙巖石在屈服階段和軸向峰值應力處的內部損傷也更大.

累計振鈴計數,如圖11所示.圖11中：m為累計振鈴計數.由圖11可知：裂隙巖石在各級應變等級下的累計振鈴計數均顯著高于完整巖石;完整巖石在前5級應變等級下累計振鈴計數增長緩慢,曲線近似呈線性關系,在第6級應變等級時,累計振鈴計數開始出現明顯增大;裂隙巖石累計振鈴計數在各級應變等級下呈現出明顯的上升,從第2級應變等級后,不同裂隙巖石的累計振鈴計數開始存在明顯的差異,特別是第2級至第3級應變等級之間,曲線斜率變化顯著,其中,傾角45°裂隙巖石的斜率比其他裂隙傾角巖石的大,這是因為在屈服階段,傾角45°裂隙巖石內部晶粒錯動和裂隙尖端的應力集中,導致微裂紋沿著裂隙尖端發育、擴展、貫通更為劇烈,因此,累計振鈴計數的突增較大;裂隙巖石的累計振鈴計數總數與完整巖石相比也有顯著的差別,累計振鈴計數總數隨著裂隙巖石傾角的增大分別是完整巖石累計振鈴計數總數的3.2,3.8,1.7,2.3倍,表明裂隙的存在導致試樣內部微小裂隙發育活動更加劇烈.

圖11 累計振鈴計數Fig.11 Cumulative ringing count

3.2 巖石破壞特征

單軸逐級加載應力松弛破壞圖,如圖12所示.

(a) 完整巖石 (b) α=30°裂隙巖石 (c) α=45°裂隙巖石 (d) α=60°裂隙巖石 (e) α=75°裂隙巖石圖12 單軸逐級加載應力松弛破壞圖Fig.12 Failure of uniaxial step loading of stress relaxation

由圖12可知：完整巖石和裂隙巖石的破壞模式存在著較大的差異;完整巖石的破壞模式為剪切破壞,巖石出現明顯的宏觀剪切滑移面,主裂隙從巖石上端一直延伸到下端;裂隙巖石的破壞模式為張拉剪切型復合破壞,起裂位置主要出現在裂隙尖端處,在裂隙尖端處有分叉裂隙生成,且少量分叉裂隙穿過裂隙尖端沿著加載方向向上、下端部擴展,最終生成宏觀主破裂面,造成巖石的失穩破壞;不同裂隙巖石在裂隙尖端處分叉出的裂隙數量存在著差異,其中傾角為30°,45°裂隙巖石尖端處分叉裂隙數量較傾角為60°,75°裂隙巖石的多;傾角為60°,75°裂隙巖石在宏觀主裂隙端部有著少量的碎片剝落.

造成上述現象的原因是裂隙巖石本身存在著一定的初始損傷,且在裂隙尖端會產生應力集中現象,長時間的應力松弛使得裂隙巖石的裂隙尖端處有充足的時間發育,并產生大量分叉裂隙,這些分叉裂隙在巖石中沿放射狀方向發展并逐漸互相貫通,造成巖石內部結構嚴重弱化,使宏觀主控破裂面的礦物粒子間的粘結、咬合能力降低及破裂面的摩擦力下降,進而造成宏觀主控破裂面斷口處出現破碎小塊體,并從破裂面間隙剝落.

結合聲發射特征可知：傾角為30°,45°裂隙巖石的累計振鈴計數整體上升趨勢較傾角為60°,75°裂隙巖石大,巖石破壞時,產生裂隙的數目和貫通程度也較大,加劇了巖石的劣化,降低了巖石的強度.通過比較累計振鈴計數第2級至第3級的斜率可知：通過裂隙尖端處裂隙的發育擴展劇烈程度推測巖石的破壞類型,進一步說明了聲發射特征值在一定程度上可以反映出巖石的破壞情況.應力松弛過程中有活躍著聲發射信號(圖10),即應力松弛過程中存在著裂隙的發育、擴展甚至貫通過程,而巖石失穩破壞的本質就是裂隙貫通導致,因此,應力松弛過程產生的裂隙貫通對巖石最終的失穩破壞有一定的影響.

綜上可知：隨著裂隙傾角的增大,巖石的破壞特征越來越接近完整巖石,但整體上裂隙均從裂隙尖端發育,沿著力的加載方向擴展、貫通至巖石端部,形成穿過裂隙兩端的主裂隙,這是造成試樣的失穩破壞的主要原因.聲發射特征值可以作為一種有效的信息判斷巖石的破壞情況,且應力松弛過程對巖石的失穩破壞也有著一定的影響.

4 結論

1) 裂隙巖石的峰值軸向應力比完整巖石的低,且隨著傾角的增大,峰值軸向應力也隨之增大.應力松弛過程可分為快速松弛階段,應力快速跌落;慢速松弛階段,應力隨時間增加而緩慢減小,最終趨于某一恒定值.

2) 完整巖石和裂隙巖石的應力松弛度和初始應力松弛速率均隨著應變的增大總體呈先增大后減小的趨勢,且均在100%ε1,max處出現最大值;在此處,裂隙巖石的初始應力松弛速率均大于完整巖石,且峰后初始應力松弛速率均大于峰前.此外,裂隙巖石在屈服階段至峰值處,裂隙發育較為劇烈.

3) 完整巖石和裂隙巖石的聲發射事件均呈簇狀分布,且主要集中在加載段和應力快速松弛階段.裂隙巖石在各級應變等級下的累計振鈴計數均顯著高于完整巖石,不同裂隙傾角巖石的累計振鈴計數從第2級之后開始存在差異,特別是第2級至第3級應變等級之間,曲線斜率變化顯著.

4) 裂隙巖石的破壞模式為張拉剪切型復合破壞,完整巖石的破壞模式為剪切破壞.隨著裂隙傾角的增大,裂隙巖石的破壞特征越來越接近完整巖石.聲發射特征值可以作為一種有效的信息判斷巖石的破壞情況,應力松弛過程對巖石的失穩破壞也有著一定的影響.