含不同角度預(yù)制結(jié)構(gòu)面試件聲發(fā)射信號(hào)特征與規(guī)律

王 強(qiáng)，趙 鑫，王繼野

(1. 東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819；2. 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3. 中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100161)

隨著地下工程(礦山硐室、水電站、地下隧道)的不斷發(fā)展，含有結(jié)構(gòu)面的巖體工程會(huì)出現(xiàn)片幫及垮落等實(shí)際工程問題[1-5]，為此針對(duì)不同角度結(jié)構(gòu)面試件進(jìn)行巖石力學(xué)研究非常必要。目前，國內(nèi)外學(xué)者采用含天然結(jié)構(gòu)面試件試驗(yàn)[6-8]和數(shù)值模擬[9-11]等方法進(jìn)行相關(guān)研究，還有一些學(xué)者對(duì)含預(yù)制結(jié)構(gòu)面試件進(jìn)行了不同方案實(shí)驗(yàn)研究，蒲成志等[12]研究得到依據(jù)裂隙傾角和巖橋傾角的不同，將會(huì)出現(xiàn)不同的三種破壞形態(tài)，且破壞面摩擦情況不同；李銀平等[13]通過預(yù)制裂紋試驗(yàn)分析，預(yù)制試件加載后裂紋產(chǎn)生和裂紋搭接等研究，而且原生裂紋角度對(duì)裂隙產(chǎn)生影響顯著；沙寧等[14]對(duì)不同預(yù)制單裂紋角度對(duì)實(shí)驗(yàn)試件破壞情況的研究分析；楊圣奇等[15]研究斷續(xù)預(yù)制裂隙大理巖試件不同斷續(xù)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響，與完整試件相比力學(xué)參數(shù)變情況分析。對(duì)含天然結(jié)構(gòu)面輝綠巖取樣，不易形成含各個(gè)角度結(jié)構(gòu)面巖體，而且有無結(jié)構(gòu)面貫通情況不統(tǒng)一。為此，基于聲發(fā)射條件下進(jìn)行含不同角度預(yù)制非貫通結(jié)構(gòu)面實(shí)驗(yàn)研究，分析不同傾角下的非貫通結(jié)構(gòu)面試件力學(xué)各向異性。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)巖樣制作

如圖1所示，單軸加載實(shí)驗(yàn)試樣尺寸為50 mm×50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)長方體試件。使用實(shí)驗(yàn)室金剛石線切割機(jī)對(duì)完整試件進(jìn)行切割，切割深度為前后對(duì)稱12.5 mm，切割成0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，共7個(gè)符合實(shí)驗(yàn)條件試件進(jìn)行單軸聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)不同傾角輝綠巖試件進(jìn)行高強(qiáng)度石膏進(jìn)行充填，此輝綠巖單軸抗壓強(qiáng)度為220 MPa，高強(qiáng)度石膏抗壓強(qiáng)度為20 MPa，符合預(yù)制結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度條件，將石膏完全充填在預(yù)制裂隙內(nèi)，最后形成如圖2所示，含不同傾角預(yù)制非貫通結(jié)構(gòu)面的輝綠巖試件。

圖1 預(yù)制30°結(jié)構(gòu)面試件Fig.1 Structure specimen with refabricated 30°

圖2 含不同傾角非貫通結(jié)構(gòu)面試件Fig.2 Non through structure specimen with different dip angles

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

如圖3所示，為試件單軸加載過程中8個(gè)聲發(fā)射傳感器布置圖。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案為：加載初始力達(dá)到5 kN，再以500 N/s的加載速率進(jìn)行加載，直至試件達(dá)到破壞，實(shí)驗(yàn)整個(gè)過程伴隨聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測。

圖3 45°試樣加載聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)Fig.3 Acoustic emission test under 45° loading

2 各向異性輝綠巖力學(xué)特性研究

選取具有代表性的完整試件進(jìn)行單軸實(shí)驗(yàn)研究，再分別對(duì)預(yù)制含有不同傾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)的非貫通結(jié)構(gòu)面輝綠巖試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)應(yīng)用聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較。

2.1 完整輝綠巖單軸實(shí)驗(yàn)研究

圖4為完整試件單軸壓縮試驗(yàn)典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了與含不同傾角預(yù)制結(jié)構(gòu)面試件進(jìn)行強(qiáng)度與變形對(duì)比，先進(jìn)行完整試件單軸實(shí)驗(yàn)研究，通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以掌握巖石試件的力學(xué)特性變化情況，通過實(shí)驗(yàn)可以得到輝綠巖單軸抗壓強(qiáng)度為228 MPa，輝綠巖試件的彈性模量為82.5 GPa，泊松比為0.24。圖5為完整試件實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比圖，為方便與含預(yù)制結(jié)構(gòu)面試件破壞形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，首先進(jìn)行了完整試件實(shí)驗(yàn)，完整試件抗壓后形成脆性劈裂破壞。

圖4 完整輝綠巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Complete diabase stress-strain curve

圖5 試件實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比Fig.5 Comparison of specimen before andafter experiment

2.2 含不同角度結(jié)構(gòu)面試件強(qiáng)度及破壞模式

對(duì)完整輝綠巖試件進(jìn)行不同角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)預(yù)制結(jié)構(gòu)面試件，此輝綠巖單軸抗壓強(qiáng)度為220 MPa，高強(qiáng)度石膏抗壓強(qiáng)度為20 MPa，符合預(yù)制結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度條件，對(duì)不同角度輝綠巖試件進(jìn)行高強(qiáng)度石膏進(jìn)行充填，將石膏完全充填在預(yù)制裂隙內(nèi)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

圖6為含不同角度結(jié)構(gòu)面試件對(duì)應(yīng)強(qiáng)度情況。由圖6可知，完整輝綠巖試件強(qiáng)度要比含有預(yù)制結(jié)構(gòu)面試件強(qiáng)度高，當(dāng)試件角度為0°～45°時(shí)，含結(jié)構(gòu)面輝綠巖試件單軸抗壓強(qiáng)度隨預(yù)制結(jié)構(gòu)面傾角增大而減?。划?dāng)結(jié)構(gòu)面角度達(dá)到45°時(shí)，含預(yù)制結(jié)構(gòu)面試件承受的抗壓強(qiáng)度最??；當(dāng)試件角度為45°～90°時(shí)，含結(jié)構(gòu)面試件所受抗壓強(qiáng)度隨角度增大而增大。

圖6 含不同角度結(jié)構(gòu)面試件對(duì)應(yīng)強(qiáng)度值Fig.6 Including the corresponding strength valuesof structure specimen from different angles

如圖7所示為不同傾角結(jié)構(gòu)面試件破壞圖。標(biāo)注在試件上的白色線條為預(yù)制結(jié)構(gòu)面，試件上的黑色線條為試件破壞面，黑色虛線條為劈裂破壞面，黑色加粗虛線條為剪切破壞面，可以看出含不同傾角結(jié)構(gòu)面試件破壞模式不同。當(dāng)0°≤α<45°時(shí)，含結(jié)構(gòu)面試件破壞面垂直結(jié)構(gòu)面方向形成脆性劈裂破壞，破壞面會(huì)連著結(jié)構(gòu)面形成局部破壞；當(dāng)45°≤α≤60°時(shí)，試件破壞面垂直結(jié)構(gòu)面方向形成脆性劈裂破壞，同時(shí)試件也沿著結(jié)構(gòu)面形成剪切破壞，兩個(gè)破壞面形成交叉模式，交叉破壞面使試件強(qiáng)度達(dá)到最低值；當(dāng)60°<α≤90°時(shí)，試件破壞面沿著加載力方向直接脆性劈裂破壞，試件破壞開始與結(jié)構(gòu)面連接較少，含90°結(jié)構(gòu)面試件破壞模式和試件變形強(qiáng)度與完整試件基本相同。

圖7 不同角度試件破壞模式Fig.7 Failure modes of specimens with different angles

2.3 含不同角度結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖8所示，為含45°結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過上述實(shí)驗(yàn)分析，含45°結(jié)構(gòu)面輝綠巖試件為臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)，45°結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力應(yīng)變曲線與完整試件明顯不同。在初始加載過程到彈性階段，軸向應(yīng)變?chǔ)?一直隨著主應(yīng)力增大而增大，而且變化較大，但環(huán)向應(yīng)變?chǔ)?變化較小，直到含結(jié)構(gòu)面試件達(dá)到彈性階段時(shí)，環(huán)向應(yīng)變才隨應(yīng)力開始逐步增大，并且保持線性增加，而軸向應(yīng)變由于結(jié)構(gòu)面存在，彈性階段并不明顯，說明45°結(jié)構(gòu)面起到了作用，使試件本身應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生了明顯變化。

圖8 含45°結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curve of 45° structure specimen

如圖9所示為含預(yù)制不同傾角結(jié)構(gòu)面試件與完整試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖。對(duì)于含75°結(jié)構(gòu)面試件的加載過程，在相同應(yīng)力條件下，由于含75°結(jié)構(gòu)面試件在受壓縮時(shí)沿結(jié)構(gòu)面拉伸破壞，因此試件的橫向應(yīng)變變化不斷增大，試件的軸向應(yīng)變會(huì)比完整試件應(yīng)變變化??；對(duì)于含15°結(jié)構(gòu)面試件受到壓縮時(shí)，在相同應(yīng)力條件下，含15°結(jié)構(gòu)面試件的軸向應(yīng)變會(huì)比完整試件的應(yīng)變變化要大，與完整輝綠巖試件相比，含15°結(jié)構(gòu)面試樣的縱向應(yīng)變變化不突出，所以軸向角度與橫向角度的應(yīng)變變化趨勢完全不同。

圖9 完整試件和含不同傾角結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.9 Comparison of stress-strain curves betweenintact specimens and structure specimenswith different dip angles

2.4 含不同角度結(jié)構(gòu)面試件破壞聲發(fā)射信號(hào)及空間關(guān)系

圖10為完整試件加載應(yīng)力-應(yīng)變及聲發(fā)射曲線，該曲線是經(jīng)過后期測到的加載力與應(yīng)變變化數(shù)據(jù)與聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)統(tǒng)一對(duì)應(yīng)時(shí)間處理繪制出的曲線圖。由圖10可知，聲發(fā)信號(hào)隨應(yīng)力變化明顯，黑色虛線為聲發(fā)射累積能量曲線，通過曲線變化情況，可以捕捉到試件加載過程中能量變化情況。高低不一的豎條狀為聲發(fā)射撞擊率變化，通過聲發(fā)射撞擊率高低判斷試件加載過程試件內(nèi)部活躍度，通過對(duì)應(yīng)加載階段，可以判斷試件破壞過程聲發(fā)射采集信號(hào)變化規(guī)律。

圖10 完整輝綠巖應(yīng)力及聲發(fā)射隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Complete diabase stress and AE curve with time

針對(duì)含0°結(jié)構(gòu)面、45°結(jié)構(gòu)面和75°結(jié)構(gòu)面實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析不同傾角下實(shí)驗(yàn)得到的不同現(xiàn)象。由圖11(a)可知，在加載應(yīng)力初期，聲發(fā)射撞擊率信號(hào)非常活躍，這說明含0°結(jié)構(gòu)面試件在壓密階段內(nèi)部撞擊活躍，并且含0°結(jié)構(gòu)面初始階段即受抗壓作用，當(dāng)加載一定應(yīng)力水平，聲發(fā)射信號(hào)才趨于下降且平穩(wěn)，持續(xù)進(jìn)行應(yīng)力加載，試件強(qiáng)度達(dá)到峰值，聲發(fā)射信號(hào)也同時(shí)達(dá)到峰值；由圖11(b)可知，試件在應(yīng)力加載過程中，聲發(fā)射撞擊率持續(xù)波動(dòng)且非?；钴S，說明整個(gè)加載階段，含45°結(jié)構(gòu)面試件在加載過程中不斷參與應(yīng)力加載，當(dāng)聲發(fā)射撞擊率達(dá)到局部階段峰值時(shí)結(jié)構(gòu)面受到抗壓作用，持續(xù)進(jìn)行應(yīng)力加載，試件強(qiáng)度達(dá)到峰值，聲發(fā)射信號(hào)也同時(shí)達(dá)到峰值；由圖11(c)可知，含75°結(jié)構(gòu)面試件壓密階段加載幾乎無信號(hào)產(chǎn)生，當(dāng)達(dá)到試件彈性階段，含75°預(yù)制結(jié)構(gòu)面聲發(fā)射仍然較少，持續(xù)增長應(yīng)力，聲發(fā)射信號(hào)會(huì)急劇增長，直至試件破壞，聲發(fā)射信號(hào)也同時(shí)達(dá)到峰值。

圖11 含不同角度結(jié)構(gòu)面試件應(yīng)力及聲發(fā)射隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Stress and AE time curves of weak sampleswith different angles

為研究應(yīng)力作用下含預(yù)制結(jié)構(gòu)面輝綠巖內(nèi)部微裂紋開裂到試件貫通破壞的變化規(guī)律，以含75°預(yù)制非貫通結(jié)構(gòu)面輝綠巖試件為典型研究對(duì)象，進(jìn)行含預(yù)制非貫通結(jié)構(gòu)面輝綠巖單軸加載聲發(fā)射試驗(yàn)研究。為了清晰地了解巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)試件破壞過程，使用AE win軟件進(jìn)行試件模型建立，模型與實(shí)際巖石試件形狀和尺寸一致。在進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，至少布置4個(gè)傳感器才可以對(duì)聲發(fā)射事件數(shù)進(jìn)行定位，本次實(shí)驗(yàn)4個(gè)面上下各布置一個(gè)聲發(fā)射傳感器，共8個(gè)聲發(fā)射傳感器保證信號(hào)采集及定位正常。

如圖12所示，通過模型和傳感器定位，得到不同加載階段的事件數(shù)增長圖。在0～30 kN受力區(qū)間內(nèi)，事件數(shù)量較少，說明試件受到加載力影響較小，隨著加載力不斷增加；在30～130 kN受力區(qū)間，聲發(fā)射事件數(shù)開始逐步緩慢增長；在130～170 kN加載區(qū)間，產(chǎn)生的聲發(fā)射事件數(shù)開始沿著剪切面不斷變多；在170～205 kN受力區(qū)間，試樣上部聲發(fā)射事件急劇增多，并且沿著剪切破壞面方向聲發(fā)射事件開始不斷擴(kuò)張，直到應(yīng)力達(dá)到206 kN，最后含結(jié)構(gòu)面試樣破壞，此時(shí)聲發(fā)射事件主要集中在試樣結(jié)構(gòu)面角度方向和破壞剪切面上。如圖12(e)所示，在試件破壞形態(tài)上看，試件為脆性剪切破壞，產(chǎn)生脆性剪切破壞面，巖石試件宏觀破壞形態(tài)與聲發(fā)射定位空間關(guān)系基本一致。因此，聲發(fā)射定位能夠較好地反映巖石內(nèi)部破壞過程和破壞面位置。

圖12 不同加載時(shí)間段聲發(fā)射事件空間分布及破壞試件對(duì)比Fig.12 Spatial distribution of AE events and comparison of failure specimens in different loading periods

通過聲發(fā)射定位，獲得相應(yīng)時(shí)間與空間聲發(fā)射事件數(shù)。根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，在單軸聲發(fā)射加載實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)140 s、750 s、950 s、1 050 s和1 150 s，可以捕捉到相應(yīng)聲發(fā)射事件個(gè)數(shù)，如圖13所示。由圖13可知，剛開始聲發(fā)射個(gè)數(shù)隨著時(shí)間增長比較平緩，加載后期，聲發(fā)射事件個(gè)數(shù)在短時(shí)間內(nèi)呈指數(shù)增長，與前面聲發(fā)射信號(hào)撞擊率和能量累積基本一致，說明聲發(fā)射事件數(shù)捕捉及定位準(zhǔn)確。

圖13 聲發(fā)射事件數(shù)隨時(shí)間變化情況Fig.13 Changes of acoustic emission events with time

3 結(jié) 論

1) 通過實(shí)驗(yàn)分析，完整輝綠巖試件強(qiáng)度比含預(yù)制結(jié)構(gòu)面試件強(qiáng)度高，當(dāng)含結(jié)構(gòu)面試件角度為0°～45°時(shí)，含結(jié)構(gòu)面輝綠巖試件所受抗壓強(qiáng)度隨角度增大而減小；當(dāng)含結(jié)構(gòu)面試件角度達(dá)到45°時(shí)，含預(yù)制結(jié)構(gòu)面試件承受的抗壓強(qiáng)度最低；當(dāng)含結(jié)構(gòu)面試件角度為45°～90°時(shí)，含結(jié)構(gòu)面試件所受抗壓強(qiáng)度隨角度增大而增大。

2) 在相同應(yīng)力狀態(tài)下，α小于45°結(jié)構(gòu)面試件軸向應(yīng)變?chǔ)?比α大于60°結(jié)構(gòu)面試件軸向應(yīng)變變化大，而α小于60°結(jié)構(gòu)面試件環(huán)向應(yīng)變?chǔ)?比α大于60°結(jié)構(gòu)面試件環(huán)向應(yīng)變變化小，說明對(duì)含不同角度結(jié)構(gòu)面試件進(jìn)行加載試件變形特性變化不同。

3) 從試件破壞形態(tài)，當(dāng)0°≤α<45°時(shí)，試件破壞面沿著加載力方向脆性劈裂破壞；當(dāng)45°≤α≤60°時(shí)，試件破壞面垂直結(jié)構(gòu)面方向形成脆性剪切破壞，并且試件也沿著結(jié)構(gòu)面破壞，兩個(gè)破壞面形成交叉模式；當(dāng)60°<α≤90°時(shí)，試件沿著結(jié)構(gòu)面方向直接滑移破壞。

4) 通過聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測，含結(jié)構(gòu)面試件在加載過程中比完整試件聲發(fā)射信號(hào)活躍，通過對(duì)含結(jié)構(gòu)面試件聲發(fā)射定位與宏觀試件破壞模式對(duì)比，很好地反映巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)面受壓破壞模式變化規(guī)律。