高溫后大理巖漸進破壞過程試驗研究

郭清露

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430072)

0 引言

2020年9月中國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標。包括地下抽水儲能、地下壓縮空氣儲能、地下儲熱和地下綜合儲能等工程在內的地下儲能工程既能適合晝夜電能轉移,又能進行負荷調峰,具有重大發展前景[1]。在地下儲能工程的開發利用中,地下深度的增加使得周圍巖體處于高地應力、高溫、高水壓等復雜地質環境。其中,高溫會促使巖石(體)內裂紋產生和發育,改變巖石內裂紋尺寸和密度,從而使得巖石的物理力學性質劣化。眾多學者對高溫后巖石的物理力學性質進行了研究[2-4]。例如,夏小和等對高溫作用后大理巖進行壓縮試驗指出:隨著作用溫度升高,大理巖的單軸抗壓強度、彈性模量、變形模量和泊松比等力學參數有不同程度的降低。隨著力學參數的降低,工程巖體在高溫條件下的漸進破壞過程越來越受到國內外學者的重視,也是目前亟需解決的關鍵科學問題。

E Eberhardt等考慮到聲發射技術能夠實時、無損地監測巖石內部微裂紋的活動情況,提出可以根據巖石在受壓漸進破壞過程中不同變形階段的聲發射參數隨時間的變化規律來確定巖石的啟裂應力和損傷應力[5]。趙興東等[6]對完整巖樣及含預制裂紋的巖樣進行單軸壓縮聲發射試驗,利用聲發射定位技術研究了巖石破裂過程。

巖石的峰前漸進破壞過程可以分為4個階段[7-8]:1)裂紋閉合階段;2)線彈性變形階段;3)裂紋穩定擴展階段;4)裂紋非穩定擴展階段。C D Martin等將巖石變形與強度特征和巖石內部裂紋發育、發展和匯合過程聯系起來,提出幾個表征巖石強度的特征值:裂紋閉合應力σcc、啟裂應力σci和損傷應力σcd。本文將把聲發射定位的時空演化規律與巖石漸進破壞的各個階段結合起來,進一步分析不同溫度作用后巖石漸進破裂過程,以期為工程實踐提供借鑒。

1 聲發射定位原理

聲發射的定位算法很多,常見的有Geiger算法和單純形算法,本文采用聲發射系統配套軟件AEwin給定的非線性迭代算法進行定位計算,其基本原理是經過對聲發射到達各個探頭的時差、波速和探頭間距的回歸計算,得到信號源位置。

信號源到第i個探頭的距離見式(1):

(1)

通過檢測得到的信號傳到第i和第j個探頭的時間差見式(2):

Δtij,obs=ti-tj

(2)

通過計算得到的信號傳到第i和第j個探頭的時間差見式(3):

(3)

定義殘差見式(4):

χ2=∑(Δtij,cal-Δtij,cal)2

(4)

其中,v為巖樣縱波波速;ti,tj分別為信號源傳到第i個和第j個聲發射探頭的時間;xi,yi,zi和xj,yj,zj為第i個和第j個聲發射探頭的位置坐標;xs,ys和zs均為聲發射信號源的位置坐標。給定初始值xs,ys和zs,然后通過迭代計算使殘差值滿足精度要求,迭代停止,此時xs,ys和zs即為信號源位置坐標。在每組試驗進行前,測量巖樣的縱波波速,以此作為計算波速。

2 試驗儀器簡介

單軸壓縮試驗在TAW-3000型巖石三軸伺服多場耦合試驗系統上完成。該系統采用門式框架整體鑄造,剛度為10 GN/m,軸向最大試驗力為3 000 kN,測力精度為10 N;最大圍壓100 MPa,測力精度為0.01 MPa。軸向變形傳感器量程為8 mm,徑向變形傳感器量程為4 mm,二者分辨率均為0.000 1 mm。

聲發射監測設備采用美國物理聲學公司DISP系列的四通道PCI-2全數字化聲發射監測系統。該系統處理卡具有的功能和參數如下:18位A/D分辨率,高達40 M/s的采樣率,1 kHz～3 MHz的頻率范圍,最小門檻值為12 dB。該聲發射監測系統能夠對多個通道的數據進行顯示、采集、存儲和重放;可以實現線定位、區域定位功能;可以對實時波形和波形流進行采集與分析;能進行的濾波有特征參數濾波、波形濾波、前端濾波和圖解濾波,能進行聚類分析前端報警設置。

試件加熱采用設備型號為SX2-10-12的中溫箱式電阻爐,該電阻爐額定功率10 kW,額定溫度1 200 ℃,采用PID智能程序控溫,控溫精度、爐溫均勻性達±5 ℃。

3 試驗方案及試驗過程

3.1 試驗巖樣

試驗所采用大理巖巖樣主要礦物成分為白云石和方解石,同時含有少量黑云母。按照國際巖石力學學會建議的方法,將試樣加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體標準試件,用砂紙打磨端面后,巖樣兩端面互相平行且平整度誤差小于0.01 mm。

3.2 加熱方案及加熱過程

以10 ℃/min的加熱速率將試樣分別加熱到預定溫度后保持恒溫4 h,隨后在爐內冷卻,冷卻速率設為5 ℃/min,冷卻至常溫后取出試件。本文研究設定4個溫度梯度,即常溫(25 ℃),200 ℃,400 ℃和600 ℃。

3.3 單軸加載

單軸加載采用變形控制,加載速率為0.05 mm/min,加載直到試樣最終破壞后停止。

3.4 聲發射監測

為了對試樣進行三維定位分析,將4個NANO-30探頭對稱布置在距離巖樣兩端25 mm處。用凡士林作為聲發射探頭和巖樣結合處的耦合劑以減少信號衰減。在壓縮試驗開始的同時,開始聲發射監測并記錄數據。

4 試驗結果分析

4.1 定位結果及破壞模式

經過不同溫度作用后大理巖在單軸壓縮條件下的破壞模式照片和對應的聲發射三維定位結果如圖1所示。

可以看出,不同溫度巖樣的破裂模式不同。常溫下巖樣為脆性劈裂破壞,含有一條主要劈裂裂紋,定位點主要聚集為一條叢集的帶狀,與實際結果吻合較好。200 ℃巖樣也為劈裂破壞,在主要裂紋周圍有許多伴生小裂紋;400 ℃巖樣為剪切破壞,主要剪切裂紋周圍也有許多伴生小裂紋。定位結果顯示,經過200 ℃和400 ℃溫度作用后巖樣的定位點多數聚集在其主要裂紋對應的區域,另有少量定位點均勻分布在巖樣內,這些少量分布均勻的定位點正是巖樣伴生小裂紋的表現。600 ℃后的巖樣為單剪破壞模式,有一條主要剪切裂紋,定位點主要聚集在與剪切裂紋對應的斜平面上?？傮w而言,從定位點的分布和數目可以判定巖石破裂模式,定位點叢集的區域可以得到宏觀裂紋出現的位置。在600 ℃以內,聲發射定位結果較好反映了巖樣的破裂模式隨溫度的升高由單一劈裂面破壞模式到多劈裂面破壞模式,再到單剪破壞模式的變化。

從能量角度分析,巖樣破壞前耗散的能量主要用于巖樣內部的損傷,耗散能越大說明內部損傷程度越高,從而形成更多的破裂面和潛在破裂面,因而200 ℃和400 ℃巖樣比常溫巖樣出現更多破裂面。

巖樣發生不同破裂模式的原因可以從張拉裂紋和剪切裂紋共同作用的角度進行分析。在200 ℃以內,巖樣的破壞主要受張拉裂紋的影響,張拉變形引起的破裂面與軸向應力平行,表現為劈裂破壞模式。隨著溫度升高,高溫使得試件結構和礦物組成逐漸發生變化,當溫度高于某一臨界值時,礦物發生相變,顆粒間的黏結作用變小,即高溫對巖石材料造成劣化作用。由于巖石材料通常為非均質的,試樣同一承載斷面的材料劣化程度不一樣,導致同一承載斷面上的材料強度不等[9]。因此,巖樣在軸向應力增加時,強度較低的材料會首先發生屈服,承載力降低,從而使得應力轉移,造成未屈服的材料實際應力變大,彈性應變增大,進而剪切裂紋擴展匯合,最終形成剪切破壞模式。考慮到600 ℃后巖樣的單軸壓縮強度較400 ℃后巖樣降低幅度大許多,推斷該大理巖礦物發生相變的臨界溫度在400 ℃～600 ℃之間,故600 ℃后巖樣為單剪破壞模式。400 ℃后大理巖的破壞受張拉裂紋和剪切裂紋共同作用,因而破壞后有一條未完全貫通的剪切裂紋,并伴生多條小的劈裂裂紋。

4.2 大理巖漸進破壞過程時空演化規律

大量學者研究了聲發射事件定位隨巖石破裂過程的演化規律,成果表明,聲發射事件定位結果能直觀反映巖樣內部裂紋產生、擴展和匯合的過程,且裂紋擴展的空間位置、擴展方向及空間曲面形態能由聲發射定位的時空演化過程表現出來。學者通常思路是,首先將巖石破裂過程中的應力與峰值強度相除,然后根據比值把巖石破裂過程劃分為相應的幾個階段[10],例如,取峰值應力的10%,30%,50%,80%,100%和峰后70%將巖石漸進破壞過程分為6個階段,最后分析各個階段的聲發射定位分布規律。這種做法能夠較好反映巖石破裂過程,但對于幾個特征應力對巖石漸進破壞過程的影響和在破壞階段劃分中的意義,不能很好地反映。因此,本文將把聲發射定位的時空演化規律與巖石漸進破壞的各個階段結合起來,進一步分析不同溫度作用后巖石漸進破裂過程。

如圖2(a)所示,對于常溫下巖樣,裂紋閉合階段基本沒有聲發射定位點,說明巖石原生裂紋較少且在該階段裂紋活動性較低;隨著荷載增加,在啟裂應力處,有6%的聲發射定位點出現;在裂紋穩定擴展階段,聲發射事件數劇烈增加到總量的62%,在此階段,巖石內部裂紋開始擴展和發育,因而伴隨有劇烈的聲發射事件出現;在裂紋非穩定擴展階段,定位事件數突增到總量的93%,在這個階段,巖石內部裂紋開始劇烈擴展匯合,因而伴隨有大量的聲發射現象;而峰后破壞僅有7%的聲發射事件數。總體而言,彈性階段之前有極少的定位點,聲發射事件主要在裂紋擴展階段出現,同時,也說明聲發射三維空間定位與巖樣內部裂紋產生、擴展和匯合有非常好的對應關系,能與巖石應力-應變曲線結合起來研究巖石漸進破壞過程的五個階段。

如圖2(b)—圖2(d)所示,對于高溫作用后巖樣,在裂紋閉合階段就有少量聲發射定位點出現,其值占總量的比大約為9%,說明在該階段裂紋密度較常溫大,有明顯的聲發射活動;同時,在彈性階段,即啟裂應力對應的聲發射事件數分別為總量的16%,24%和22%,明顯比常溫下比值大,且該比值隨著溫度升高有增大趨勢,這正是高溫對巖樣造成熱損傷,使得巖石內部裂紋更加發育的反映;在裂紋穩定擴展階段,經過200 ℃,400 ℃和600 ℃作用后巖樣聲發射事件數與整個階段事件數比值分別增加了36%,26%和27%;而在裂紋非穩定擴展階段,比值分別增加了46%,40%和41%,說明裂紋在此階段的擴展匯合遠遠多于在裂紋穩定擴展階段內的發育;峰后破壞階段有少量聲發射定位。總體而言,經過高溫作用后,大理巖熱損傷較大,內部裂紋密度變大。因而在裂紋閉合階段就出現少量占整個漸進破壞過程約9%的聲發射事件,且彈性階段也有不少聲發射事件。在裂紋穩定擴展階段有大量聲發射定位點,對應著裂紋的擴展和匯合。聲發射定位點主要出現在裂紋非穩定擴展階段,因為該階段大量原生裂紋和新生裂紋開始匯合貫通。

5 結論

巖石的峰前漸進破壞過程可以分為4個階段:1)裂紋閉合階段;2)線彈性變形階段;3)裂紋穩定擴展階段;4)裂紋非穩定擴展階段。

本文將把聲發射定位的時空演化規律與巖石破壞的各個階段結合起來,進一步分析不同溫度作用后巖石漸進破裂過程,主要結論如下:

1)從聲發射定位點的分布和數目可以判定巖石破裂模式,定位點叢集的區域可以得到宏觀裂紋出現的位置。

2)聲發射三維空間定位與巖樣內部裂紋產生、擴展和匯合有非常好的對應關系,能與巖石應力-應變曲線結合起來研究巖石漸進破壞過程的五個階段。

3)經過高溫作用后,大理巖熱損傷較大,內部裂紋密度變大。因而在裂紋閉合階段就出現占整個漸進破壞過程約9%的聲發射事件,且彈性階段也有不少聲發射事件。在裂紋穩定擴展階段有大量聲發射定位點,對應著裂紋的擴展和匯合。聲發射定位點主要出現在裂紋非穩定擴展階段,因為該階段大量原生裂紋和新生裂紋開始匯合貫通。