巖體原位直剪試驗聲發射特征及破壞機理研究*

趙志強 吳順川 張小強 賈 帥 賀鵬彬

(①昆明理工大學,國土資源與工程學院,昆明 650093,中國)(②中勘冶金勘察設計研究院有限責任公司,保定 071000,中國)

0 引 言

巖體是由巖塊及各種結構面組成的具有不連續性、非均質性和各向異性的地質體。巖體內部微裂紋的產生、擴展是造成巖體破裂失穩的直接因素(范雷等,2012; Xi et al.,2020; Fan et al.,2021; Qiao et al.,2021)。巖體的失穩變形破壞問題一直是巖體力學領域的熱點問題和亟待解決的問題之一。

聲發射技術是研究巖石材料損傷演化的有力工具。它可以連續實時地監測巖體內部裂紋的產生和擴展情況。近年來,聲發射技術被廣泛用于探索巖體的損傷和破壞過程研究中(Moradian et al.,2012; Du et al.,2020; 甘一雄,2020; Guo et al.,2020)。吳順川等(2020)比較了上升時間/振幅比值(RA)和平均頻率(AF)在不同傳播距離下的分布規律并研究了RA/RF的比值r以及r的變異系數CV(r)在巖石破裂過程中的發展演化規律,研究表明r值變異系數可以對巖體的破裂發展過程進行描述。周輝等(2015)針對結構面的不同高度、法向壓力、剪切速率下聲發射的相關參數的變化,研究了結構面巖體在壓剪荷載下的聲發射特征及規律,分析了切向荷載是影響聲發射參數的變化的主要原因。同時發現了結構面剪切時理想的聲發射累積撞擊曲線的3個不同階段并且發現了能量率、撞擊率與剪切速率的關聯。對于非貫通節理巖體的擴展貫通過程,劉遠明等(2014)將其分為4個階段,并研究了不同階段的強度特性并且發現法向應力相同情況下其強度特征的大小與節理表面的粗糙度相關。Kharghani et al.(2021)引入Kaiser效應在巖石應力的聲發射測試中,可以高效地計算出地應力的大小。同時研究了不同角度的巖體各向異性對Kaiser效應的影響。Liu et al.(2020)在室內試驗的基礎上,開展了基于聲發射監測的巖體內部應力和位移演化研究。同時在現場微震監測的基礎上,研究了深部采場垮落前應力場和變形場分布及演化特征的差異。研究發現,巖體內部微裂紋、應力和變形的分布規律高度一致,能夠反映巖石內部應力場和變形場的時空演化特征。對于脆性巖石進行單軸壓縮及聲發射試驗,孟令超等(2020)得出了巖石的環向變形量、聲發射信號的能級與巖石脆性程度成正比關系。王林均等(2019)同樣針對脆性巖石進行了試驗研究發現在巖體接近破壞時主導因素仍然是微裂紋擴展,同時聲發射參數與巖體內部顆粒的膠結強度相關的結論。Pisconti et al.(2019)研究了高頻聲發射事件的P尾波。Kim et al.(2019)提出了一種新的方法來量化原位巖體損傷。Patricia et al.(2018)在徑向壓縮試驗中使用聲發射監測來評估兩種巖體的斷裂過程。Zhang et al.(2020)發現了不同尺寸巖體損傷演化的聲發射特征。不同應力路徑下巖石破壞前兆規律與聲發射b值有關,聲發射b值的快速下降對應著巖石試樣在峰值強度后的應力快速釋放降低,這可以作為破壞前兆的特征。除了上述這些巖體破裂過程的聲發射研究,巖體破裂行為特征、裂紋動態演化等問題也被大量學者研究(Liu et al.,2021; Shang et al.,2021; Wang et al.,2021; Zhao et al.,2021)。

雖然應用聲發射技術對巖體破裂過程的研究取得了大量的成果,但由于客觀的觀測場地、條件和聲發射設備性能的局限,對大尺度原位巖體破裂過程的研究較少。巖體中含有節理、裂隙等缺陷,小尺度試驗巖體往往會避免這種情況,這樣獲得的試驗結果是否為自然環境的情況還有待商榷。而采用大尺度原位試驗時,原位巖體會包含各種真實的巖石破裂狀態,這樣試驗出的結果更符合工程實際。大尺度巖體相較于小尺度巖體可以提供更準確的力學參數值,有利于研究巖石物理力學效應的局部變化現象與巖石破裂前兆的區域性。本文為了研究巖體原位直剪試驗過程中的聲發射特征和破壞機理。選擇內蒙古白云鄂博某礦山作為試驗場地。采用美國PAC-2聲發射系統記錄現場直剪過程中節理巖體的聲發射參數特征。通過后續對試驗數據的分析和處理,分析現場巖體直剪試驗中節理巖體的裂隙分布和破壞機理。該研究可為探索大尺度巖體現場直剪試驗的聲發射特征提供實驗依據并分析巖體結構面剪切破壞行為,對保障礦山邊坡安全具有重要作用。

1 工程概況

本次試驗場位于中國內蒙古自治區包頭市白云鄂博礦區,具體位置如圖1所示。該礦區占有世界稀土礦產總探明儲量的41%以上,以及鐵、鈮、錳、磷、螢石等175種礦產資源。它被稱為世界“稀土之都”。本次試驗巖體屬于碳質黑云母片巖具有明顯板狀結構,如圖1所示。

圖1 試驗現場軟弱碳質黑云母片巖構造圖

2 原位直剪試驗過程

2.1 試驗剪切盒設計

由于聲發射信號采集與直剪試驗同時進行,為了便于試驗時采集信號,故對試驗剪切盒重新設計。剪切盒尺寸為70cm×70cm×35cm,板1、板2和板3上有4個φ=3.5cm的圓孔,用于放置聲發射探頭,并且在圓孔外側位置覆蓋卡扣,卡扣上有可調節松緊的螺絲?？酃财饍煞N作用:(1)防止試驗過程碎石堵塞探頭孔; (2)固定聲發射探頭使其緊貼試驗巖樣,使試驗結果更為精準。為保證試驗的準確和科學性,每板開孔位置設計在不同方位,具體開孔位置及卡扣規格如圖2所示。

圖2 原位直剪試驗剪切盒設計圖(單位:cm)

2.2 現場試驗場地及試塊制備

本次直剪試驗的試坑平面尺寸為5.5m×2.1m,深度為1.0～1.5m,試樣土體周圍保留10cm以上進行人工修整。試塊長寬高為70cm×70cm×35cm。試塊為現場試驗坑內原巖,通過人工開挖邊坡臺階內未受工程擾動的巖體、修整成合適的試塊大小,如圖3所示。修整后發現,試驗試塊較為脆弱、破碎。經過現場討論及咨詢有關專家,決定在試驗試塊及剪切盒間填充水泥漿,達到填充試驗剪切盒,并平整聲發射試驗探頭貼合位置的目的。因為未對試驗直剪面造成影響,且填充水泥漿較少,故對直剪試驗及聲發射試驗影響微弱,可忽略不計。

圖3 原位直剪及聲發射試驗場地及試塊制備

2.3 聲發射試驗探頭布置

本次聲發射試驗共安裝12組傳感器探頭,分列除加載面的其余三面。為了獲得良好的聲學耦合效果,巖體樣品和聲發射傳感器之間的界面涂有一薄層超聲波耦合劑。安裝方法及聲發射探頭布置示意如圖4所示。為了執行完整的聲發射測試采集過程,使用聲發射信號檢測單元,結合12個聲發射傳感器和12通道聲發射信號處理系統(PCI-2),同步監測巖體樣品中的剪切誘發聲發射信號。

圖4 聲發射探頭安裝及布置示意圖

2.4 直剪試驗設備搭建

直剪試驗需在剪切盒測試面安裝橫置推移千斤頂,豎向在試塊上覆蓋鋼板上覆滾軸及鋼板,在滾軸安裝前先測定滾軸排的摩擦系數f。上層鋼板上安置豎向千斤頂,在實驗坑邊緣安置原位直剪試驗承壓鋼架,并由腳手架鋼管固定,上覆壓載袋(一袋重約3t),共12袋。在剪切盒的3個方向放置3組百分表,一組由2塊百分表組成,共6塊。百分表由萬向節固定。采用平推法施加剪應力,正應力反力由配重提供,現場測試設備的安裝如圖5所示。

圖5 原位直剪試驗設備安裝圖

2.5 試驗過程和結果分析

現場共制作5塊巖石試塊,進行5次直剪試驗,得到5組不同的法向應力對應的切向應力讀數。首先安裝加載裝置和位移計,然后分5個階段施加法向荷載。在法向變形相對穩定后,施加切向荷載。切向荷載按等差數列順序分8級施加,水平荷載連續、均勻。每分鐘記錄一次壓力表和百分表的讀數。當變形相對穩定時,可施加下一級荷載,直到剪切破壞。該試驗的受力分析如圖6所示,直剪試驗數據分析結果見表1。

表1 直剪試驗數據記錄

圖6 原位直剪試驗試塊受力分析

試驗的法向應力σ和切向應力τ可表示為:

(1)

(2)

式中:σ為法向應力(kPa);τ為切向應力(kPa);PL為設備自重(kN);PV為液壓千斤頂施加的法向荷載(kN);P0為試塊自重(kN);F為滾軸的摩擦力(kN);PH為切向荷載,取最大值(kN);A為試塊的剪切面積(m2)。

巖體的內摩擦角c和黏聚力φ采用最小二乘法按下式計算:

(3)

(4)

式中:c為內摩擦角;φ為黏聚力;n為樣本數量;σ為法向應力;τ為切向應力。

經統計分析并計算得出,試塊的黏聚力c為113.7kPa,內摩擦角φ為17.9°。通過現場觀測和直剪試驗結果分析,得出試驗碳質黑云母片巖試樣剪切面參差、起伏度小; 剪切破壞方向垂直于薄層節理面方向; 試樣底層固結良好。

圖7為切向應力-剪切位移曲線,數據僅記錄到完全破壞,切向應力與加載初始階段的剪切位移成正比。隨著切向應力的增加,這種線性關系被打破,剪切位移突變并達到峰值,此時巖體發生剪切破壞。在圖7中,隨著時間的增加,位移線性增加,這表明此時位移是均勻的,巖體的切向應力均勻增加,巖體內部裂隙不斷增加貫通。當切向應力到達峰值時,剪切位移急劇增加,表明巖體應力達到臨界值,剪切面斷裂,巖塊受剪應力影響完全破壞。巖塊的位移數據由百分表測量,因此初始位移不是0。由切向應力-剪切位移曲線得出該邊坡巖體具有明顯的由彈性變形到塑性變形的特征。

圖7 直剪試驗監測數據

由直剪數據分析結果可知,該邊坡巖體的抗剪強度主要由黏聚力提供,內摩擦角較小。經試驗發現原位直剪試驗既體現了巖塊本身的強度又同時兼顧了結構面對巖體強度的影響,故原位直剪試驗相對于室內試驗更能反映出現場巖體的真實狀況,能提供更準確的巖體力學參數。

3 聲發射監測和信號分析

參考ISRM推薦的實驗室聲發射監測方法(Ishida et al.,2017)。在試驗期間,連續監測聲發射參數。在現場直剪試驗中施加剪切載荷同時,采集了碳質黑云母片巖樣品(2坑2號樣)的聲發射信號。直剪試驗約為16.5min。試驗過程中聲發射信號的撞擊率變化曲線如圖8所示。同時對比分析聲發射信號的振鈴計數率和平均絕對能量曲線如圖9所示。探索試驗過程中反應的相似規律。

圖8 聲發射信號的撞擊率變化曲線

圖9 振鈴計數率與聲發射信號平均絕對能量對比曲線

結合圖8及圖9可知,直剪試驗的破壞過程可分為3個階段:裂紋萌生階段(彈性階段)、裂紋擴展階段和破壞階段。裂紋萌生階段(0～600s)的聲發射信號微弱無聲,隨后裂紋擴展階段(600～700s)的聲發射信號不斷增加。在破壞階段(700～900s),每隔50s會出現一次突發信號。經過巖體內部應力調整后,聲發射信號逐漸減弱。隨著載荷的增加,切向應力增大,逐級加載后的聲發射信號也逐漸增強。當試樣達到剪切強度6.5MPa時,聲發射信號的撞擊率達到峰值。

振鈴計數率可以描述巖體在直剪試驗破壞時,巖體聲發射狀態及巖體損傷變形情況。平均絕對能量值是聲發射撞擊信號能量的真實反映。振鈴計數率及平均絕對能量與聲發射信號的撞擊率正相關。當巖樣處于裂紋擴展階段時,聲發射信號也同時增加。

因此,聲發射參數與完整巖樣的剪切行為之間存在良好的相關性,這表明聲發射參數可用于量化巖樣中損傷的起始和累積。

4 基于聲發射特征的巖體破壞分析

聲發射事件定位主要是通過不同位置的傳感器拾取P(S)波到達時間差,應用蓋格爾算法反演聲發射源位置來反演巖石破裂源位置,進而實現聲發射事件的定位(甘一雄等,2020)。

原位直剪試驗破壞過程中,不同剪應力水平的巖體微破裂的聲發射定位平面位置如圖10所示,各圖方格為剪切面面積,邊長單位為mm。試樣從0MPa加載至4.5MPa時,無聲發射事件發生(圖10a); 切向荷載從4.5MPa增加至5.5MPa時(圖10a～圖10c),巖體處于裂紋擴展階段。此時,聲發射事件較少,內部微裂紋產生量較少,巖體開始出現微破裂,并且微破裂位于剪切面中部偏下,靠近巖體在施加剪切荷載的后端部位。切向荷載從5.5MPa增加到6MPa 時(圖10c～圖10d),聲發射事件繼續增加。隨著剪切載荷的增加,巖體內部微裂紋的位置逐漸前移,巖體中間區域出現密集的聲發射事件。推測此處含有節理、裂隙區,且為剪應力的主要作用區。當切向載荷增加到6.5MPa(圖12e)時,微破裂發生的位置集中于剪切面局部,直至形成宏觀破裂面。在此期間,巖體處于破壞階段,剪應力達到峰值強度6.5MPa。

圖10 直剪試驗過程中的聲發射定位結果

巖樣破壞后,剪切面條件如圖10f所示。通過巖樣破壞后的剪切面照片(破壞部位的重點部位用藍點標示)和聲發射事件位置圖,可以清楚地看到巖體剪切破壞主要發生在剪切面中部,聲發射事件也最為集中。

聲發射試驗的常用統計指標r值(上升時間(RA)/振幅比值(RF)),作為表征巖體破壞程度的指標具有一定的實用性,但監測中測得的最大值具有一定的偶然性。某一指數的瞬時增長,不能客觀反映巖體內部破裂的加劇(Pomponi et al.,2013)。

對于r值,瞬間出現的偶然較大值,難以表明破裂的加劇程度。因此,在本次直剪-聲發射試驗中,選取基于r值的變異系數CV(r)值(標準偏差/平均值),作為統計指標(coefficient of variation,CV)。并與b值進行對比分析。CV(r)值的分布離散度可以描述巖體破裂情況。當CV(r)值離散度增加,說明巖體接近破裂或處于失穩階段。

b值可以表征聲發射事件的震級分布尺度,主要代表壓縮條件下巖體中小震級和大震級破裂事件的相對數量,廣泛用于巖體破裂的前兆分析和判斷(Carpinteri et al.,2009; Rao et al.,2005)。b值越大,小破裂的比例越大,相反,大破裂是主導因素?；贕-R關系,b值的計算公式如下:

lgN=a-bM

(5)

式中:M為地震的震級;N是M+ΔM范圍內的地震次數;a,b為常數,其中,b的取值與地震學一致。

圖11為直剪試驗過程中r值變異系數CV(r)和b值的統計特征的比較。樣本容量n=200,以時間為自變量,展示分析結果。

圖11 直剪試驗期間CV(r)值和b值的特征比較

由圖11可知,當試樣臨近破壞時,往往趨勢為b值的陡降及CV(r)的陡增。在裂紋萌生階段(彈性階段)聲發射事件較少,故本文不研究該階段對應變化。在裂紋擴展階段,b值分布在1.25～2.25之間,對應的CV(r)值在該階段分布在0.75和2之間,基本穩定在1.5周圍,表明試樣以小破裂為主。而在破壞階段,b值開始急劇下降,分布在1.0～1.5之間。而CV(r)值急劇增加,說明此時巖體以大破裂事件為主,成分是剪切破壞。

從以上結果可以看出,CV(r)值的分布和變化與b值規律呈現相反的特征。當CV(r)值增大時,b值減小,反之亦然。因此,CV(r)值可以作為巖體斷裂破壞強度的判斷值。分析結果與其他試驗參數和實際情況相一致。

上述分析表明,在工程實踐中,巖體的斷裂和破壞可以通過檢測到的聲發射數據來區分。聲發射事件的快速增加和聲發射參數的突變是預測巖體失穩和剪切破壞形成的有用指標。

5 結 論

聲發射試驗參數可與直剪試驗參數相結合,作為現場直剪試驗結果相互驗證的手段。并可用于監測及預報巖體的剪切破壞行為特征應用于工程實踐。本次試驗主要結論如下:

(1)大尺度巖體在直剪試驗過程中,直剪破壞過程可分為3個階段:裂紋萌生階段(彈性階段)、裂紋擴展階段和破壞階段。聲發射信號的強弱可以同步驗證這3個階段的變化情況,且在剪應力達到峰值強度時聲發射信號最多。

(2)大尺度巖體剪切破壞過程,聲發射信號首先出現在剪切荷載處,隨著切向應力的增加逐漸擴展到整個巖體,并產生應力集中現象,局部巖體產生大量微裂縫,推測此處為節理裂隙區。

(3)在直剪試驗過程中。常規聲發射特征參數具有統一性,在一定程度上可以反映巖體內部斷裂的宏觀規律。變異系數CV(r)和b值在試驗過程中,上升規律及分布范圍具有相悖性。通過與其他試驗參數及實際情況對照,將CV(r)值作為巖體破壞強度的判定值是可行的。