巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性研究現(xiàn)狀與展望★

羅 明 迪

(華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450011)

0 引言

巖石的流變特性與巖土工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全緊密相關(guān)，是巖石的重要力學(xué)特性之一。蠕變和應(yīng)力松弛一直是巖石流變力學(xué)領(lǐng)域研究中的兩個(gè)重要方面[1]。巖石蠕變是指在恒定荷載條件下，巖石變形隨時(shí)間的增大而增大的現(xiàn)象。巖石流變效應(yīng)中對(duì)巖石蠕變的研究在巖石力學(xué)理論和具體工程應(yīng)用中具有十分重要的意義。

材料在力的作用下產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射，簡(jiǎn)稱(AE)[2]。在巖石蠕變破壞過(guò)程中，由于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)巖石受力破壞時(shí)內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，而且可以對(duì)巖石受力破壞過(guò)程中內(nèi)部微裂紋的演化特征進(jìn)行定性或定量的描述，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)巖石具體破壞位置的定位，因此聲發(fā)射監(jiān)測(cè)相對(duì)其他監(jiān)測(cè)方法有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

目前研究人員利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)巖石破壞，已有的成果集中在常規(guī)加載下巖體力學(xué)性質(zhì)的聲發(fā)射試驗(yàn)研究，也開(kāi)展了巖石蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)研究。下面分別對(duì)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的巖石破壞聲發(fā)射試驗(yàn)、巖石蠕變破壞過(guò)程聲發(fā)射特征、巖石蠕變破壞聲發(fā)射預(yù)測(cè)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1 巖石蠕變破壞聲發(fā)射特征研究現(xiàn)狀

1.1 巖石破壞聲發(fā)射試驗(yàn)研究

吳永勝等[3]開(kāi)展了兩組不同巖石在單軸加載條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)。分析了巖石受壓破壞過(guò)程中巖石體積變形與巖石聲發(fā)射數(shù)據(jù)、聲發(fā)射率與能率之間的關(guān)系，得出了在巖石受壓破壞過(guò)程，聲發(fā)射數(shù)據(jù)與巖石試樣的體積變形有比較好的關(guān)聯(lián)性，但這種關(guān)聯(lián)性在加載初期并不明顯;在巖石破壞過(guò)程中聲發(fā)射率和能率的變化并不完全一致，相比聲發(fā)射率聲發(fā)射能率的變化更加敏感，后者在預(yù)測(cè)巖石破壞時(shí)更為靈敏。

張茹等[4]開(kāi)展了花崗巖在單軸多級(jí)加載條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)。分析了在各級(jí)荷載穩(wěn)壓時(shí)各項(xiàng)聲發(fā)射數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。得出了在各級(jí)載荷穩(wěn)壓時(shí)，AE事件數(shù)趨于穩(wěn)定或者增加平緩，事件率、能率明顯降低；隨著荷載的增加當(dāng)試件接近峰值強(qiáng)度時(shí)聲發(fā)射活動(dòng)變得非常活躍，隨后會(huì)進(jìn)入聲發(fā)射平靜期；巖石受壓破壞前的平靜期中聲發(fā)射現(xiàn)象的突然急劇下降表明巖石即將發(fā)生受壓破壞。

徐速超等[5]對(duì)矽卡巖進(jìn)行了單軸循環(huán)加卸載作用下的聲發(fā)射試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明巖樣在循環(huán)加卸載時(shí)表現(xiàn)出反凱塞效應(yīng)且隨著循環(huán)次數(shù)的增加費(fèi)拉西蒂比逐步變小，在卸載時(shí)巖樣仍然產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射現(xiàn)象。

李天一等[6]對(duì)花崗巖進(jìn)行了直接拉伸和間接拉伸條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:直接拉伸試驗(yàn)加載開(kāi)始至40%峰值應(yīng)力階段后，聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量均開(kāi)始增加,加載至接近峰值應(yīng)力時(shí),聲發(fā)射事件數(shù)達(dá)到最大;間接拉伸試驗(yàn)整個(gè)破壞過(guò)程的聲發(fā)射計(jì)數(shù)率基本持平,但40%峰值應(yīng)力前的加載階段的聲發(fā)射能率高于40%峰值應(yīng)力后。

Tham等[7]進(jìn)行了張力作用下花崗巖、大理石板材試件破壞過(guò)程中的聲發(fā)射試驗(yàn)。分析了花崗巖和大理巖試樣破壞過(guò)程的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，指出兩者材料的異質(zhì)性差異導(dǎo)致了不同的斷口形貌和不同的聲發(fā)射數(shù)據(jù)特征。并對(duì)二維拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合效果較好。Ganne等[8]探討了巖石微裂紋與聲發(fā)射現(xiàn)象的相關(guān)性，闡述了聲發(fā)射技術(shù)在研究巖石物理力學(xué)性質(zhì)中的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 巖石蠕變破壞過(guò)程聲發(fā)射特征研究

呂培苓等[9]進(jìn)行了單軸壓縮下兩種完整巖樣的蠕變破壞過(guò)程中聲發(fā)射試驗(yàn)。分析了巖樣在三個(gè)蠕變階段的聲發(fā)射特征，得出了巖樣在不同蠕變階段聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度、聲發(fā)射m值的變化規(guī)律。

趙奎等[10]對(duì)砂巖進(jìn)行了分級(jí)循環(huán)加卸載條件下的蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)。分析了巖石試樣蠕變破壞過(guò)程中聲發(fā)射頻率在不同應(yīng)力下的特征，得出了聲發(fā)射主頻在各分級(jí)蠕變中的變化，聲發(fā)射頻帶隨著應(yīng)力的增加而變寬，指出了在各循環(huán)過(guò)程中試樣聲發(fā)射均出現(xiàn)次主頻的現(xiàn)象。

徐子杰等[11]對(duì)不同應(yīng)力水平下大理石蠕變損傷聲發(fā)射特性開(kāi)展了研究，定性分析了在不同的蠕變應(yīng)力作用下，巖體承載能力、聲發(fā)射數(shù)據(jù)以及巖體裂紋的變化規(guī)律。

龔囪等[12]對(duì)紅砂巖開(kāi)展了短時(shí)蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)研究。分析了巖樣在不同蠕變階段、不同應(yīng)力水平下聲發(fā)射活動(dòng)特征。指出可以根據(jù)不同應(yīng)力水平下的聲發(fā)射特征來(lái)辨別紅砂巖具體處于哪一個(gè)蠕變階段。

1.3 巖石蠕變破壞聲發(fā)射預(yù)測(cè)研究

李元輝等[13]開(kāi)展了單軸受壓巖石破壞聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，分析了巖石破裂過(guò)程中在不同應(yīng)力水平下聲發(fā)射b和空間分布分形維值的變化趨勢(shì)。指出在實(shí)際應(yīng)用中可以將b值和分形維值結(jié)合起來(lái)進(jìn)行巖體穩(wěn)定性檢測(cè)，兩者快速下降是巖體失穩(wěn)的前兆特征。

尹賢剛等[14]對(duì)巖石單軸受壓破壞全過(guò)程中聲發(fā)射分形維值和分形特征隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。得出隨著應(yīng)力的持續(xù)增加，分形維值持續(xù)降低并在破壞前達(dá)到最低值。提出巖石破壞前分形維值的持續(xù)降低是巖石破壞的前兆特征。

董毓利等[15]采用MTS試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了混凝土受壓全過(guò)程聲發(fā)射試驗(yàn)，研究結(jié)果表明聲發(fā)射b值在應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€峰值處最小，并根據(jù)分形理論對(duì)混凝土受壓全過(guò)程分形維數(shù)進(jìn)行了研究。

吳賢振等[16]對(duì)不同巖性的巖石進(jìn)行了單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)研究。分析了巖石破壞過(guò)程中聲發(fā)射分形以及時(shí)域特征。得出了巖石破壞過(guò)程中聲發(fā)射分維值D的變化規(guī)律，提出聲發(fā)射分維值D的持續(xù)下降是巖石破裂失穩(wěn)的前兆特征。

龔囪等[17]開(kāi)展了分級(jí)加卸載下紅砂巖的短時(shí)蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)。分析了紅砂巖在不同蠕變階段的聲發(fā)射b值特征。得出了聲發(fā)射b值在不同蠕變過(guò)程中的具體變化規(guī)律，指出紅砂巖聲發(fā)射b值可以用來(lái)做為紅砂巖蠕變破壞的前兆特性。

2 巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性研究展望

以上巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性的研究工作，目前已經(jīng)取得豐富的研究成果，豐富和完善了巖石力學(xué)理論研究，同時(shí)也有力的指導(dǎo)了巖土工程的具體實(shí)踐。然而由于巖石材料的各向異性、受力條件的復(fù)雜性以及蠕變?cè)囼?yàn)由于要求實(shí)驗(yàn)儀器能夠長(zhǎng)時(shí)間保持應(yīng)力恒定的性能試驗(yàn)技術(shù)難度大等原因，目前關(guān)于巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性的研究仍然存在著不足之處，有必要進(jìn)一步深入開(kāi)展相關(guān)的研究工作。具體可以圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

1)在巖石破壞聲發(fā)射試驗(yàn)研究方面，現(xiàn)有的研究成果主要集中在常規(guī)加載下巖體破壞聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究。目前也開(kāi)展了巖石蠕變破壞聲發(fā)射試驗(yàn)，但由于蠕變?cè)囼?yàn)需要實(shí)驗(yàn)儀器能夠長(zhǎng)時(shí)間保持應(yīng)力恒定的性能、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、試驗(yàn)技術(shù)難度大、蠕變破壞時(shí)應(yīng)力選取困難等原因，巖石蠕變破壞聲發(fā)射試驗(yàn)研究開(kāi)展的比較少，對(duì)巖石的蠕變破壞聲發(fā)射特性的研究尚不深入。工程實(shí)踐中，巖體蠕變性質(zhì)是影響工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性的重要因素，因此有必要進(jìn)一步深入開(kāi)展巖石蠕變破壞聲發(fā)射試驗(yàn)研究。

2)現(xiàn)有的巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性的研究工作主要集中在定性分析方面，沒(méi)有給出蠕變破壞的定量判據(jù)，缺少試驗(yàn)驗(yàn)證與理論支撐。分形理論在巖石力學(xué)性質(zhì)的分析研究上有著重要的作用，可以作為巖石蠕變破壞定量研究方面的理論支撐。因此有必要進(jìn)一步開(kāi)展巖石蠕變破裂過(guò)程中聲發(fā)射b值及分形維值D的變化特征研究，同時(shí)對(duì)二者之間的關(guān)系進(jìn)行定量研究，以求為難以確定的巖石蠕變破裂臨界值問(wèn)題尋找一種定量的解決辦法，為巖土工程中聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)。

3)相比于室內(nèi)試驗(yàn)，數(shù)值模擬具有用時(shí)短、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，是巖石流變力學(xué)重要的研究手段之一。目前在巖石蠕變破壞方面已經(jīng)開(kāi)展了比較豐富的數(shù)值模擬研究工作。然而，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性方面的研究尚不深入。因此，在巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，可以采用數(shù)值模擬方法深入研究巖石的時(shí)效力學(xué)行為，進(jìn)一步揭示巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性,為工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前巖石蠕變破壞特性研究仍存在一些不足之處，對(duì)巖石蠕變破壞聲發(fā)射預(yù)測(cè)方法的理論研究仍然滯后于工程實(shí)踐。其原因在于:巖石材料的非均質(zhì)性、各向異性；巖石蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)間比較長(zhǎng),試驗(yàn)技術(shù)難度較大；如何對(duì)大量復(fù)雜的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析也是制約開(kāi)展巖石蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)的重要原因之一。隨著工程實(shí)踐的進(jìn)行，各種大型巖體工程的不斷出現(xiàn)，將有力的推動(dòng)巖石蠕變破壞聲發(fā)射特性研究的發(fā)展，為巖體工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全提供科學(xué)依據(jù)。

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