2021岩石疲劳破坏过程中的变形规律及声发射特性

1、岩石疲惫破坏过程中的变形规律及声发射特性第23卷 第11期岩石力学与工程学报 23(11)：181018142021年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ，2021 2021年9月5日收到初稿，2021年10月24日收到修改稿。 * 国家自然科学基金(10172057)资助项目。作者 蒋 宇 简介：男，27岁，硕士，2021年毕业于上海交通大学建筑工程与力学学院，现任工程师，主要从事工民建设计与研究工作。E-mail ：hljlaopia/doc/b9391e8ad0d

2、233d4b14e69b5.html 。 岩石疲惫破坏过程中的变形规律及声发射特性* 蒋 宇 葛修润 任建喜(上海交通大学建筑工程与力学学院 上海 202140) 摘要 利用RMT-150B 岩石力学试验系统和Locan 320声发射仪，研究了循环荷载作用下岩石疲惫破坏过程中的变形规律和声发射特征，揭示了两者之间的联系。从宏瞧不可逆变形和微瞧损伤的角度对岩石疲惫破坏过程进行了初步分析，确定了轴向变形的3阶段规律和横向变形的2阶段规律，论述了选择轴向变形作为宏瞧损伤参量的合理性。要害词 岩石力学，循环荷载，疲惫，声发射分类号 TU 45 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2021)1

3、1-1810-05DEFORMATION RULES AND ACOUSTIC EMISSION CHARACTERISTICSOF ROCKS IN PROCESS OF FATIGUE FAILURE Jiang Yu ，Ge Xiurun ，Ren Jianxi(School of Civil Engineering and Mechanics ，Shanghai Jiaotong University ，Shanghai 202130 China ) Abstract Deformation rules and acoustic emission characteristics of

4、rocks in the process of fatigue failure are studied and the relation of them is revealed using the rock mechanics test equipment named RMT-150B and Locan320 acoustic emission instrument. The elementary analysis for the process of fatigue failure of rock is carried out from the points of macroscopica

5、l irreversible deformation and microcosmic damage. In addition ，three-stage laws of axial deformation and two-stage laws of radial deformation are established and the rationality to choose axial deformation as macroscopical damage parameter is also presented. Key words rock mechanics ，cyclic loading

6、 ，fatigue ，acoustic emission 1 前 言在岩土工程中，经常会碰到循环荷载的作用。岩石在循环荷载作用下的强度和变形规律与静态 荷载作用下有显著不同。强度方面表现出劣化性，疲惫破坏的强度低于静力强度；变形方面则表现为记忆性，破坏点的位置受到静态全过程曲线的控 制1，2。为了更好地了解循环荷载作用下岩石的疲劳寿命及其控制因素，有必要对岩石疲惫破坏的整个过程作深进的研究和分析。循环荷载作用下岩石的疲惫破坏是一个动态的过程。在宏瞧上是一个不可逆变形逐渐发展积累、直至失稳破坏的过程；在微瞧上则是一个微裂纹萌生、扩展和贯通，损伤逐渐加剧的过程。因此，不可逆变形和损伤是疲惫破坏过程

7、中密切联系的两个指标。在试验中，不可逆变形可以通过循环荷载作用下的位移或应变来体现，损伤则可通过加载过程中岩石的声发射信息来反映。为了全面了解循环荷载作用下岩石的变形特征和内部损伤演化情况，笔者利用国内先进的RMT-150B 岩石力学试验系统和Locan320声发射仪进行了大量的单轴疲惫试验。试第23卷 第11期 蒋 宇等. 岩石疲惫破坏过程中的变形规律及声发射特性 ? 1811 ?验过程中同步记录岩石试件的位移和声发射信息，然后进行比照分析，揭示了疲惫破坏过程中的变形规律和声发射特性。2 试验装置及方法试验所用的岩样，红砂岩取自江西贵溪，大理岩取自四川雅安。严格按照国际岩石力学标准3，加工成

8、直径50 mm 、高100 mm 的圆柱体试件，端面的平行度在0.02 mm 以内。岩样的单轴抗压强度通过单轴全过程试验测得，取一组数据的平均 值。红砂岩为37 MPa ，大理岩为88 MPa 。疲惫循环试验在RMT-150B 岩石力学实验系统上进行。这是一套闭环控制的电液伺服试验系统。此系统的突出优点是可以进行压缩情况下的疲惫试验。系统轴向最大输出荷载1000 kN ，最高疲惫频率20 Hz 。试验中选择正弦波作为循环加载波形，频率为0.2 Hz 。循环荷载的上限应力比和下限应力比分别设定为0.85和0.3(上限应力比是指循环荷载最大应力与岩石强度的比值，下限应力比是指循环荷载的最小应力与岩

9、石强度的比值)。轴向位移和 横向位移可通过纵向和横向传感器由计算机自动采集，并换算成轴向应变(11)和横向应变(22)，体积应变由公式2211v 2+=给出。循环过程中的声发射信息，通过Lacan320声发射仪来记录。实验过程中采用双通道采集数据，每一通道对应一个独立的前置放大器和换能器。两个换能器放置于岩石试件长度方向上的中心，相对放置，如图1所示。换能器和岩石试样之间以黄油作为耦合剂，用胶带牢固固定于岩石之上。实验中设定声发射仪的主放为35 dB ，门槛值为45 dB 。 图1 声发射探头布置Fig.1 Distribution of acoustic emission sensors3

10、试验结果及分析3.1 循环荷载作用下的变形特征3.1.1 轴向应变图2给出了循环荷载作用下轴向应力和轴向应变的关系。曲线可以瞧成两个部分：第一部分(ab 段)是为达到循环荷载的平均值所进行的加载过程，荷载以等速率(0.1 kN/s)施加；第二部分(bc 段)是以循环荷载平均值为起点，正弦波反复作用的疲惫过程。 图2 轴向应力-应变曲线Fig.2 Axial stress-strain curve 在整个疲惫过程中，每一个加、卸载的循环都会产生塑性滞环。滞环在加载开始的阶段比较大，随着循环次数的增加，滞环逐渐变小并趋于稳定；经历一定的循环周期后又逐渐变大，直至试件破坏。由于在c 点之后的循环中应

11、力已经上升不到设定的上限应力，故认为c 点为实际的破坏点。曲线的特征为：随着循环次数的增长，轴向变形逐渐向变形增大的方向移动，呈疏密疏3个阶段。取每个塑性滞环在上限应力处对应的轴向应变，绘出其随循环次数变化的过程曲线示于图3。可以明显瞧出，整个疲惫过程的变形可以划分为3个阶段。开始阶段变形发展较快；经过一定的循环之后变形速率趋于稳定；随循环次数的增加变形缓慢增大，最后阶段又忽然加速，试件很快发生破坏。对图3中的拟合曲线进行微分，可以得到图4的应变发展速率曲线。在第一和第三阶段，应变的发展很快，累积的应变量占总应变量的2/3以上。第二阶段中，轴向应变以等速率发展，应变发展很慢，累积的应变总量也小

12、，但占据了疲惫寿命的尽大部分时间4。有1 1 3 3AE 探头? 1812 ? 岩石力学与工程学报 2021年图3 轴向位移发展曲线Fig.3 Development curve of axial displacement图4 轴向位移发展速率Fig.4 Development velocity of axial displacement些学者借用蠕变的概念，把轴向应变发展过程划分为初始阶段、等速阶段和加速阶段5。为了分析上限应力对岩石疲惫寿命的影响，我们作了不同上限应力比的对比试验6，把上限应力比从0.85提高到了0.90。试验结果表明，上限应力对轴向应变的发展影响明显。在固定下限应力而提高

13、上限应力时，会提高第一和第三阶段应变在整个应变发展中的比率，也会提高等速阶段的应变发展速率，从而加速破坏过程，缩短岩石的疲惫寿命。需要指出的是，在等幅的情况下，尽管上述指标发生了量的变化，但是轴向变形发展的3阶段规律没有变，即轴向变形发展的3阶段疲惫规律是不依靠于应力比的。3.1.2 横向应变横向应变的变化规律与轴向应变明显不同，它的变化可以分为两个阶段。在相当长的一段时间中横向应变变化很小，只是在邻近破坏时忽然加速，并有显著的增大。第一阶段累积的应变量不及第二阶段的1/10，而且此阶段每个周期中横向应变的增长和恢复都比较少，以很小的滞回环近似平行于纵轴发展，发展过程中应变缓慢地累积。第二阶段

14、横向应变发展很快，但仍然没有明显的滞环。具体可见图5和图6。图5 轴向应力-横向应变曲线Fig.5Axial stress-radial strain curve图6 横向应变发展曲线Fig.6 Development curve of radial displacement3.1.3 体积应变体积应变是轴向应变和横向应变的叠加效应。由于在施加循环荷载之前应力已经加到门槛值以上(门槛值通常被认为是体积压密的最小点7，并且在微瞧上也得到了验证)，所以体积已经经过了压密阶段，整个循环过程中一直保持增长，只是在循环荷载作用前有体积缩小的压密阶段。体积应变增长过程中，受到轴向应变和横向应变共同作用。每

15、个循环中体积应变都有增长和恢复，并逐渐累积增长，但滞回环很不明显。临近破坏时体积应变迅速增长，变化很大(见图7)。4 循环荷载作用下的声发射特征岩石在荷载的作用下产生的声发射主要和裂纹的产生、扩展和连接有关。裂纹形成和扩展时，造成应力的弛豫8，储存的能量以波的形式释放出来，第23卷第11期蒋宇等. 岩石疲惫破坏过程中的变形规律及声发射特性 ? 1813 ?图7 体积应变发展曲线Fig.7 Development curve of volume strain形成声发射。声发射时能量的释放代表了损伤的产生，声发射的强弱代表了损伤的程度。所以，可以利用声发射信息来反映岩石内部的损伤情况。疲惫试验试件

16、处于交变荷载的作用之下，背景噪音比较大。这种噪音主要来源于试验机油压源的振动和夹具的摩擦，必须采取适当的措施来消除这种噪音的影响。试验机油压源的振动噪音比较小，试验时通过在端部垫块和加载装置间夹进滤纸并适当地设定试验参数来消除9。夹具的噪音影响比较大，通过选择合理的夹具以及使用弹性垫的方法来消除。图8给出了循环荷载作用过程中(略往了为达到循环荷载的平均值所进行的静态加载过程)声发射率的时程曲线，并在其上部给出轴向位移的发展曲线以便对照。由图可见，声发射在整个循环的过程中也有3个阶段：循环开始时，声发射率比较大，此时位移发展也比较快，每个循环中都有比较明显的滞回环；随后声发射率降低，在很长的一段

17、时间内都保持比较小的值，此时的位移以等速率缓慢发展；临近破坏时，声发射率又急剧增大，并在破坏点四面达到极值，位移也迅速发展，试件很快失稳图8 循环过程中声发射率的时序图Fig.8 Chronological curve of AE rate 破坏。声发射3个阶段的转折点分别与轴向位移发展3阶段的转折点相对应，见图8中的a和b点。由此得到一个重要的规律：等幅循环荷载作用下岩石的损伤规律和轴向应变的发展规律是一致的。所以，在选择宏瞧损伤变量时选择轴向变量比较合理。实际上在循环荷载开始施加之前，即在应力从零加到循环荷载的平均值的过程中(图2中的ab段)我们就已经瞧察到了丰富的声发射信息，表明损伤已经

18、发生，微裂纹出现并有一定的扩展。这阶段的声发射现象因其应力是以等速率施加的，所以与静态荷载作用下的情况相同。这种损伤也与疲惫无关，仅仅可以瞧作疲惫开始之前的一种初始损伤状态，本文不做研究。循环荷载开始施加后，由于正弦波荷载是一种非等速率的荷载且周期很短，使加载速率发生了突变。同时由于循环荷载的加卸载效应，促使试件的不可逆变形快速加大，不断有新的微裂纹产生和扩展，声发射比较明显10。经过一定的循环之后，裂纹的发展趋于稳定，声发射也趋于稳定，数值变得很小。但在每次的上限应力四面都可以瞧察到声发射现象(见图9的局部放大图，从1 500 s到1 530 s，共30 s，6个循环)，这说明在疲惫荷载作用

19、下岩石内部的损伤是不断累积的。这种累积积累到一定的程度时，裂纹彼此贯通，开始不稳定扩展，声发射率很高，达到极值。图9 循环过程声发射频度的局部放大Fig.9 Enlarged part of AE rate in cyclic process5 结论(1) 循环荷载作用下岩石的轴向应变发展可以分为3个阶段：初始阶段、等速阶段和加速阶段。等速阶段占了疲惫寿命的尽大部分，是疲惫发展的主要阶段。? 1814 ? 岩石力学与工程学报 2021年(2) 横向应变的发展可以分为两个阶段：第一阶段横向应变发展缓慢；临近破坏时忽然加速，应变增长很大，占整个应变总量的90%左右。(3) 上限应力对轴向应变的发展

20、影响明显。提高上限应力会提高第一和第三阶段应变在整个应变发展中的比率，也会提高等速阶段的应变发展速率，从而加速破坏过程，但不影响轴向应变发展的3个阶段规律。(4) 等幅循环荷载作用下的轴向应变的发展规律和损伤规律是一致的，不同阶段之间的转折点一致。轴向应变是衡量损伤很好的宏瞧指标。参考文献1 葛修润，卢应发. 循环荷载作用下岩石疲惫破坏和不可逆变形问题的探讨J. 岩土工程学报，1992，14(3)：56602 沈明荣. 岩石力学M. 上海：同济大学出版社，1999，22253 Fairhurst C E，Hudson J A. 单轴压缩试验测定完整岩石应力-应变曲线ISRM建议方法草案J. 岩

21、石力学与工程学报，2021，19(6)：8028084 欧进萍，林燕清. 混凝土高周疲惫损伤的性能劣化试验研究J. 土木工程学报，1999，32(5)：15225 陶振宇，潘别桐. 岩石力学原理与方法M. 武汉：中国地质大学出版社，1991，88896 李朝阳，宋玉普，赵国藩. 混凝土残余应变性能研究J. 大连理工大学学报，2021，41(3)：3553587 葛修润，任建喜，蒲毅彬等. 岩石疲惫损伤扩展规律CT细瞧分析初探J. 岩土工程学报，2021，23(2)：191958 李林. 岩石声发射特性的试验研究J. 化工矿山技术，1995，24(2)：37419 腾山邦久. 声发射(AE)技术

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