循環荷載下互層巖樣力學聲學特征試驗

來興平，白 瑞，曹建濤，單鵬飛，方賢威，張旭東，劉伯偉

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

互層巖體作為一種強度差異較大的特殊不良地質，因其非協調變形特征，已成為誘發煤礦開采、地下工程等領域中安全事故的因素之一。由于該類巖體的破壞機理及前兆特征與均質巖體區別較大[1]，而深部煤巖體的特殊賦存結構，在地應力和多次采掘擾動等循環荷載影響下，不可避免的對圍巖造成破壞，破壞后的圍巖承載能力下降，也為地下水的流動提供了通道，此外水對圍巖造成了二次損傷，嚴重還會導致支護難題。因此開展自然和飽水互層巖樣分級循環加卸載實驗，研究其力學損傷特性及聲學前兆信息，對指導地下工程建設以及圍巖穩定性評價具有積極意義。

目前，許多學者對復雜應力路徑作用下煤巖的力學特性和損傷規律做了大量研究。SUN等分析了多級循環加載下砂巖損傷演化規律，并提出了一種巖石疲勞損傷演化模型[2]；蘇承東、尤明慶等對不同晶粒大理巖樣開展了單軸及三軸循環加卸載試驗，分析了巖石的變形與強度特征[3-4]；周家文等結合細觀力學，研究了向家壩砂巖單軸循環加卸載的應力-應變曲線、峰值強度和斷裂損傷力學特性，并給出一種損傷變量計算方法[5]；來興平等對比分析了不同加載模式下煤樣損傷變形與聲發射特征[6]；李西蒙等建立了循環加卸載條件下應變與循環次數之間的理論模型，并推導了巖石損傷變量演化方程[7]。還有學者對自制互層巖樣進行了室內巖石力學試驗，吳渤等基于物理模型和數值模擬試驗，探討了互層傾角的變化對巖樣破壞形態的影響[8]；黃鋒等對比分析了單軸及三軸加載條件下圍壓、傾角、層厚比對互層巖樣破壞機理的影響[9]；儲超群等基于不同角度砂巖的聲發射單軸試驗，研究了層狀砂巖各向異性、聲發射特性及裂紋擴展演化規律[10]。也有學者研究了不同含水狀態下巖石的力學行為變化特征和聲學破壞前兆，汪泓等分析了循環荷載下干燥與飽水砂巖的變形特征以及能量演化與分配情況[11]；單鵬飛等為了研究煤巖體內部裂隙場的時空演化規律，建立了考慮區域地應力作用下的裂隙煤巖流固耦合計算模型，初步揭示了裂隙煤巖的流固耦合特性[12-13]；郭佳奇等通過對自然及飽水狀態下的溶灰巖開展了巖石力學試驗，揭示了水力作用下巖石的水穩定性及力學特性[14]；夏冬等分別對干燥和飽和條件下深部閃長巖進行循環加卸載試驗，探討了2種含水狀態下巖石的力學聲學特征，提出一種巖石臨近發生破壞的判據[15]；王笑然等測試了自然和飽水煤樣加載過程中聲發射脈沖信號、能量及頻率隨應力變化的差異性，總結了不同含水煤樣失穩的前兆信息[16]；LAI等通過單軸加載下不同孔徑煤樣聲發射的波形頻譜特征分析了試塊在破裂階段的時頻特征和損傷破壞規律[17]；張廣輝等探究了多級應變和應力加載條件下強沖擊傾向性煤的損傷演化過程及以聲發射表征的破壞前兆[18]；李庶林等研究了增量循環加卸載下6種巖石的的Felicity比和加卸載響應比的變化情況[19]；徐速超等研究了單軸循環加卸載作用下矽卡巖強度變化特征和費拉西蒂效應[20]；孫愛琴等利用三軸試驗機并結合聲發射信號研究了循環載荷作用下巖石內部裂紋的擴展演化規律[21]。

以上研究大多獨立考慮了不同加載方式、互層結構的存在以及不同含水狀態對巖石力學特性和聲學前兆的影響規律，而在實際工程問題中，這些因素往往是耦合作用導致巖石強度的劣化，綜合考慮循環載荷作用及不同含水狀態下的天然互層巖樣試驗研究較少，故文中開展單軸循環荷載試驗，分析2種含水狀態下互層巖樣的力學聲學特征，并以聲發射信號來反映試樣內部損傷程度，可以為現場評價互層巖體的穩定性以及掌握互層巖體的破壞規律提供理論支撐。

1 試驗設計及方法

1.1 試樣特征與尺寸

本次試驗所選取的是砂巖-灰巖-砂巖天然互層巖樣，根據國標《煤和巖石物理力學性質測定方法》，將其加工成φ50 mm×100 mm標準圓柱體試樣，加工精度為兩端面不平行度≤0.05 mm，上下端直徑偏差≤0.3 mm，軸向偏斜角度≤0.25°，試樣表面光滑無缺陷，試樣互層結構如圖1所示。

圖1 試樣互層結構Fig.1 Specimen interbedded structure

根據試驗需求，共加工10個標準試樣，編號為R1～R10，試驗前對其直徑、高度、波速等物理參數進行測量，分組、編號及測量結果見表1。10個試樣分為2組，一組為5個自然狀態，將其放在底部有水的干燥器內，試樣需高出水面20 mm，以保持一定的濕度；另一組為5個飽水狀態，將其放入盛水容器中，分3次加水，每次間隔2 h，直至水面高出試樣20 mm，浸泡48 h后取出試樣并擦干表面水分，用塑封袋包裝好后等待試驗。

表1 試樣基礎物理參數Table 1 Basic physical parameters of specimens

1.2 試驗設備與系統

本次試驗在西安科技大學西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室內進行，加載設備使用深圳萬測HCT-605A型電液伺服壓力試驗機，可同時記錄載荷及位移值，最大試驗力600 kN，準確度等級0.5，滿足《工程巖體試驗方法標準》精度要求；聲發射設備采用北京聲華SAEU2S多通道聲發射監測儀，實時監測試樣在壓縮過程中的上升計數、幅度、能量等指標；設置采樣頻率1 MHz，為排除噪聲影響，檢測參數門限設為40 dB，前放增益40 dB；試驗系統如圖2所示。

圖2 試驗系統Fig.2 Test system

試驗開始前，為保證信息的無損采集，在傳感器和試樣之間涂一層凡士林作為耦合劑，將2個AE傳感器用橡皮筋固定在試樣中部，并將加載系統和聲發射系統的時間調整一致，開啟壓力機對試樣加載并同步采集全過程聲發射信號，直至試樣破壞，停止加載并保存數據。

1.3 試驗方案與設計

基于工程巖體的賦存環境和開采擾動影響，本次試驗分為2種加載方式：①單軸抗壓1次加載；②單軸循環加卸載。根據單軸抗壓試驗結果，2次加載峰值增量約為單軸抗壓強度的20%，確保每個試樣循環4～5次后破壞，故確定自然試樣起始載荷為30 kN，循環梯度30 kN；飽水試樣起始載荷為9 kN，循環梯度9 kN。

2 互層巖樣的力學特征

2.1 應力-應變曲線特征分析

自然及飽水狀態下典型試樣單軸壓縮、循環加卸載應力-應變曲線如圖3所示。

圖3 典型自然及飽水試樣應力-應變Fig.3 Stress-strain of typical natural and saturated specimens

1)從圖3(a)可以看出，單軸壓縮載荷下自然狀態試樣表現出明顯的脆性破壞，到達峰值強度后試樣瞬間破壞，沒有承載能力，而飽水試樣峰后屈服階段明顯，峰值強度之后還存在一定的承載能力。對比圖3(b)、(c)可知，2種試樣在循環載荷作用下應力-應變曲線峰前階段具有較好的相似性，但峰后破裂階段差異明顯。當自然狀態試樣達到峰值應力時，試樣突然發生破壞，具有典型的脆性特征；而飽水狀態試樣達到峰值強度后，其承載力隨變形增大逐漸下降，并沒有立即破壞，其外部宏觀裂隙快速發育并沿縱向方向貫通，且裂隙多分布在互層結構接觸面附近，說明互層結構的存在對巖樣強度影響顯著。

2)蔡美峰等認為全應力-應變曲線圍成的面積可以從峰值強度點分為2部分，左半部分表示存儲在試樣中的應變能，右半部分表示試樣破壞時消耗的能量[22-23]。自然試樣峰值強度前存儲的能量在峰值點處以動能形式瞬間釋放，破碎的巖塊及巖粉彈射現象明顯并伴隨動力聲響；而飽水試樣在屈服階段微裂隙持續發育，峰后能量逐漸釋放，試樣破壞后仍保持完整狀態，表明水會改變巖石的破壞程度，承載巖石破壞的本質是能量的集聚-耗散-釋放，含水巖樣其三者之間的轉化關系發生改變，宏觀表現為水能弱化巖體，故工程尺度常用注水軟化的方法來防治沖擊地壓等動力災害[24-26]。

3)如圖3(b)、(c)局部放大部分所示，2種試樣在各個卸載階段均出現了應力基本不變而應變突然減小的現象，且幾乎發生在同一應力下，具有彈性后效的特征。

2.2 強度變化特征分析

根據試驗結果，獲得了單軸載荷下自然試樣平均峰值強度為78.80 MPa，飽水試樣平均峰值強度為21.92 MPa，單軸抗壓強度作為循環加卸載試驗參考值，對2種不同含水狀態試樣開展循環加卸載試驗。2種加載方式下試樣力學參數見表2。

表2 試樣力學參數Table 2 Mechanical parameters of specimens

從表2可以看出，自然狀態下試樣循環加卸載平均強度較1次加載平均強度值低14.52 MPa，降幅為18.43%；在循環載荷下，飽水試樣較自然試樣強度低38.69 MPa，降幅60.19%，循環加卸載和水的耦合作用對互層試樣強度劣化明顯，這與互層試樣的組成成分密切相關，試樣中間夾層灰巖的主要成分為碳酸鈣，而碳酸鈣又易溶于含有二氧化碳的水中，在試樣飽水過程中，含二氧化碳的水分子進入灰巖孔隙內部造成部分碳酸鈣成分溶蝕；同時，自然狀態下的互層巖樣，礦物顆粒緊密連接，結構強度高，相同應力下能承受較強的外部荷載而不發生破壞。隨著試樣含水程度增大，尤其是飽和狀態下滲透水不斷進入孔隙對孔隙壁和封閉孔隙產生潤滑和貫通作用，水巖耦合作用引起內部孔隙數量、尺寸增大及礦物流失，軟化效應明顯，導致溶蝕深度和水巖接觸面積增大，加劇了夾層中灰巖的損傷劣化程度，隨著載荷增加，裂隙擴展迅速并形成破壞裂紋，進而發生宏觀破壞，最終表現為試樣強度明顯降低。

2.3 變形模量特征分析

彈性模量是反映巖石材料剛度的重要性能參數，從圖3可以看出，在整個加卸載過程中，試樣的彈性模量是動態變化的，采用每個循環的加、卸載階段近直線段的斜率計算加卸載變形模量。經計算，自然與飽水試樣的加卸載平均變形模量分別為6.571,7.927，3.646,4.858 GPa，自然與飽水試樣的平均模量相比，自然試樣的加、卸載模量更大，表明飽水后由于水的作用導致試樣剛度降低。

如圖4所示，自然和飽水試樣變形模量變化細節有所不同，但總體表現為隨循環次數的增加而增大的趨勢。尤其是在第2次加載過程中，變形模量上升顯著，試樣剛度迅速變大，在后續的循環加載過程中，變形模量依然增大但增速變緩。造成上述現象的主要原因是，在第1個循環加載過程中，互層試樣內部原生裂隙不斷被壓實，微裂隙大量閉合；再次卸載時，少部分被壓密裂隙開始恢復，但仍有大部分裂隙不能恢復，造成試樣整體剛度有所增加，因此，在第2次加載時彈模增幅較大。在之后的加卸載過程中，隨循環應力水平的提高，兩互層的變形趨于協調，試樣越來越接近彈性體，變形模量逐漸增加并保持穩定。

圖4 循環加卸載平均模量-循環次數Fig.4 Cyclic loading-unloading average modulus-cycle number

2.4 破壞特征分析

不同加載方式必定造成不同的破壞模式，不同加載方式下2種含水狀態試樣的典型破壞照片，如圖5所示。

圖5 典型互層試樣破壞模式Fig.5 Failure modes of typical interbedded specimens

從圖5可以看出，在單軸1次加載條件下兩試樣的破壞模式主要表現為貫通劈裂剪切型破壞，其內部存在貫穿層理面的豎向張拉裂紋，同時橫向裂紋在灰巖中發育明顯；在循環載荷作用下兩試樣表現為拉-剪混合破壞，其內部不僅存在貫通的豎向張拉裂紋，還有貫通灰巖層的單斜面傾斜狀剪切裂紋。通過觀察統計不同長度裂紋的數量，方便對試樣破壞程度作定量化描述，典型試樣裂紋統計結果見表3。

表3 典型試樣破壞后裂紋統計Table 3 Statistic of post failure cracks in typical specimens

根據不同裂紋長度及條數計算每個試樣的平均裂紋長度，對比4個典型試樣破壞裂紋統計結果可以看出，自然狀態試樣的平均裂紋長度普遍高于飽水試樣，單次加載的試樣平均裂紋長度普遍高于循環加卸載下的試樣，故在工程實踐中，對于不同的條件下的工程巖體應采取不同的預防措施，也可根據破壞模式的不同提出巖體的原位改性方法，如通過注水或爆破的循環載荷作用對巖體提前軟化，對于防治圍巖破壞導致的安全事故意義重大。

3 互層巖樣的聲學特征

3.1 基于聲發射參數的巖樣損傷分析

RUDAJEV等對聲發射技術進行長期研究后，認為上升計數和能量能夠較好地反映巖石內部的損傷破壞[27]。因此，主要選用上升計數和累積能量對互層試樣損傷特性進行定量化描述，定義巖石內部微元強度損傷變量為D[28-29]。

(1)

(2)

式中Nt為加載時間為t時累計上升計數，個；Et為加載時間為t時累積能量，mv·us；N0為試樣完全破壞時累計聲發射上升計數，個；E0為試樣完全破壞時累積能量，mv·us；DN為加載至t時刻時聲發射上升計數表征的損傷變量值，%；DE為加載至t時刻時聲發射能量表征的損傷變量值，%。

飽水及自然試樣在循環加載下的應力、上升計數、損傷與時間的關系曲線如圖6所示。飽水試樣聲發射事件數明顯少于自然試樣，這是因為水分對聲發射信號的吸收作用，且大部分為低振幅事件(40～45 dB)，經統計，自然試樣低振幅事件占總事件的89.48%，飽水試樣占比為81.42%，但在試樣破壞前，兩試樣均出現了較多的高振幅事件。

圖6 應力、上升計數、損傷變量隨時間演化Fig.6 Evolution of stress，rise count and damage variables with time

3.2 循環載荷下互層巖樣破壞前兆特征

從圖6可以看出，以聲發射上升計數和能量表征的試樣損傷有較好的同步性，但在細節上有所差別。自然試樣的損傷曲線幾乎呈線性增長，只在低應力“卸載-再加載”階段出現了短暫的“臺階”平靜期，此期間試樣的損傷幾乎不增加。而在高應力條件下，卸載階段仍然對試樣造成不可逆損傷，故高應力環境是巖石發生損傷的主導因素之一；飽水試樣的損傷曲線離散程度較大，但總體趨勢一致，較自然狀態試樣，飽水試樣的“臺階”平靜期持續時間更長，而在平靜期過后，試樣的損傷持續增加直至破壞。

基于以上認識，可將試樣破壞前出現的“臺階”平靜期和高振幅事件現象作為實驗室和現場工程中互層巖樣的破壞前兆特征，從圖6可以看出，兩試樣在破壞前的最后一次“臺階”平靜期所對應的損傷約為70%，此后隨載荷的增加，高振幅事件持續增加，最終試樣發生破壞，故將損傷達到70%作為互層試樣破裂失穩的前兆預警值，可為工程巖體災變預警提供理論參考。

4 結 論

1)不同加載方式、不同含水狀態均對互層試樣強度有劣化作用。較單軸加載，自然狀態試樣在循環載荷作用下強度降低了18.43%；而在同一加載條件下，單軸加載飽水試樣較自然試樣強度劣化了72.18%，同樣在循環載荷下飽水試樣較自然試樣強度降低了60.19%。

2)互層試樣的平均模量隨循環次數的增加而增大，且隨循環應力的提高，軟硬互層的變形趨于協調，加卸載平均模量增速變慢并逐漸穩定。不同加載方式下試樣的破壞模式有所差異，自然試樣破壞后平均裂紋長度普遍高于飽水試樣，單軸壓縮載荷下的試樣破壞后平均裂紋長度普遍高于循環載荷作用下的平均裂紋長度。

3)通過監測聲發射信號，發現飽水試樣聲發射事件數明顯少于自然試樣；以聲發射信號表征的損傷曲線，兩試樣在“卸載-再加載”時均出現了短暫的“臺階”平靜期，而飽水試樣較自然試樣“臺階”平靜期持續時間更長，兩試樣最后一次出現“臺階”平靜期時所對應的損傷約為70%，可將該值視為互層試樣破裂失穩的前兆預警，對工程巖體災害預報有一定的指導意義。