矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究

矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究

1循环荷载作用下岩石失稳破坏机理岩石工程领域通常存在循环负荷作用。例如，在房柱开采的矿山工程中，由于不同的矿石准备，导致强烈的应力集中和应力转移。在高压平衡的情况下，支柱在一定程度上发挥着循环荷载的作用。由于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。所以,为更好地了解循环荷载作用下岩石的强度特征及变形规律,有必要对岩石在循环加卸载作用下的响应过程作深入地研究和细致地分析。循环荷载作用下岩石的失稳破坏可以理解为一个动态过程:从微观的角度来看,是一系列的新生裂隙的产生、裂隙层面结构的调整、裂隙空间的压密以及裂纹的扩展和贯通;从宏观上来看,主要是轴向变形和环向变形的不断积累直至整体失稳破坏的过程。同时,声发射信息在这一动态过程中也起到了关键作用,这一监测手段有助于理解循环加卸载过程中岩样的损伤情况,并获得岩样失稳破坏的重要前兆信息2单轴压缩试验加载方式本次试验岩样采用取自湖南郴州柿竹园多金属矿山的矽卡岩,加工成φ50mm×100mm的圆柱体标准试样,精度要求满足《水利水电工程岩石试验规程》试验分为单轴压缩、单轴一次加卸载和单轴循环加卸载3组,其中单轴压缩2组,共6块岩样。单轴加卸载1组,共3块岩样;单轴循环加卸载3组,每组3块岩样,共9块岩样;单轴压缩试验一次加载至岩样破坏。单轴加卸载先加载至单轴强度的80%,然后卸载至单轴强度的5%,再加载,直至岩样破坏。单轴循环加卸载采用的加载方式为:首先加载至单轴强度的50%,然后卸载至单轴强度的5%,此后,每次按照单轴强度的10%增加荷载,直至岩样破坏。本次试验在中国科学院武汉岩土力学研究所MTS试验系统上进行,声发射的采集由从美国物理声学公司(PAC公司)引进的16通道DISP声发射测试仪完成,为排除噪音,声发射的采集门槛值设定为50db。3试验结果及分析3.1强度变化特征首先,通过多组单轴压缩试验得到岩样预估单轴强度约为100MPa。3.1.1单轴强度载至岩样的控制根据矽卡岩单轴压缩岩石强度,对本组岩样先加载至单轴强度的80%(80MPa),然后卸载至5MPa,再加载直至岩样破坏。图1为20从图1可以看出,加载初期,203.1.2循环荷载作用下强度增长规律矽卡岩的多次循环加卸载试验仍然根据单轴压缩岩石强度,首先加载至单轴强度的50%(50MPa),然后,卸载至5MPa,此后,每次循环加卸载增加10MPa,直至岩样破坏。表1为本组岩样的强度情况,其中17综合3种加载方式(单轴压缩、单轴一次加卸载和单轴循环加卸载)所得到的强度的对比结果,如图2所示。由图中可以明显看出,随着加卸载循环的从无到有以及循环的次数的增加,岩样的强度有明显提高,说明卸载过程有助于提高岩样的强度,但由17通过对两个典型曲线的研究和对岩样强度结果的总结,综合分析矽卡岩在循环加卸载作用下的失稳破坏原因,笔者认为:①如果加载阶段岩样内部没有出现明显的局部破坏,只是有部分新生裂纹的产生,那么卸载过程中,新生裂隙的层面间结构得以恢复与重新调整,碎屑的充填作用使得再次加载时新生裂隙很快闭合,裂隙面间摩擦强度有所提高,从而提高弹性模量,即如果在循环加卸载过程中没有明显的宏观裂纹产生,循环加卸载过程对岩样有逐渐强化的作用;②如果在加载阶段岩样内部已经出现明显的局部破坏,产生了不可恢复的宏观裂纹,此时卸载会促使宏观裂纹层面间产生滑移,再加载时岩样很快即失稳破坏。3.2声发射作用当岩石受荷载作用而变形时,岩石中的裂隙周围将产生应力集中,应变能较高,在外力增加到一定大小时,某些裂纹缺陷部位会发生微观屈服变形,裂缝扩展及贯通,从而使得应力松弛,岩样内部贮藏的能量将以弹性波的形式释放出来,这就是声发射现象。3.2.1声发射事件的发生阶段图5为单轴压缩岩样应力、声发射累计振铃数与时间的关系典型曲线,图6为单轴压缩岩样应力、绝对能量与时间的关系典型曲线,其中绝对能量是一个能够表征AE撞击真实能量的特征值,单位为阿托焦耳(aJ)。从图5中可以看出,岩样从受力到完全破坏的声发射过程可以大体分为4个阶段,即AB区段:对应岩石从开始受力到裂纹闭合的压密阶段,这一阶段只有少量的声发射事件发生,振铃数缓慢增加,释放的能量较少,说明在岩样天然裂隙被压密的过程中,随着裂隙的闭合有微弱弹性波持续释放。BC区段:对应岩石的线弹性变形阶段,声发射振铃数趋于平稳,几乎没有高能量事件产生,说明这一过程中主要产生弹性变形,岩石内部的微裂纹几乎不发生扩展,因此,声发射事件的频度也比前一阶段小。CD区段:岩样进入塑性阶段,声发射振铃数开始稳定增加,同时,采集到较多高能量信号,说明此时岩样已经开始劣化,内部不断萌生新鲜裂隙,并随着荷载的不断增加,宏观裂纹逐渐产生,声发射振铃数开始急剧增加并在应力跌落处出现陡增。DE区段:高能量信号在岩样后继屈服阶段连续出现,最大能量事件也在这一阶段产生,无论是声发射的频度,还是累计能量均高于前几个阶段。以上现象在Mogi3.2.2循环荷载作用下声发射特征岩石在循环荷载的作用下,同样伴随着原生裂隙的压密、新生裂隙的萌发、扩展和贯通,同时也伴随着声发射信号的不断产生。图7为循环加卸载累计声发射振铃数、应力与时间关系曲线。从图7可以看出,岩样卸载后再次加载时,应力还没有达到前次荷载的最大值时已经开始有大量声发射信号产生,这说明矽卡岩在单轴循环加卸载作用下不具有凯塞效应。LI费拉西蒂比的定义:式中:FR图8为费拉西蒂比随加卸载循环次数的变化情况。由图可以看出,随着加卸载循环次数的增多,费拉西蒂比逐渐变小,表明岩样内部破坏加卸载循环次数的增多不断累积,造成岩样声发射不可逆程度不断提高,直至岩样破坏。从图7和图9卸载阶段声发射振铃数与绝对能量释放情况可知,卸载阶段仍然有大量声发射产生,这与矽卡岩在循环加卸载作用下的费拉西蒂效应具有一致性,表明矽卡岩在循环加卸载作用下声发射特征不具备明显“记忆性”,而与岩样受载应力水平相关。Li与Nordlund4循环荷载作用下岩样强度通过试验,初步研究了矽卡岩循环加卸载作用下的强度变化特征与声发射特性,但仍存在很多问题。一般认为,岩石的损伤是一个不可逆的过程,岩石的弹性模量是逐步劣化的,但本试验结果表明,岩样在循环加卸载作用下强度有升高的可能性,弹性模量在循环加卸载过程中具有逐渐强化的特征,说明岩样在承压损伤之后,其强度有可能会恢复或加强,这种观点已经在前人所做的室内试验结果5宏观裂纹ae通过一系列的单轴循环加卸载试验,得出矽卡岩在该试验条件下的结论:(1)岩样在加载阶段如果内部没有出现明显的局部破坏,随着循环加卸载次数的增加,弹性模量逐渐增大,循环加卸载过程对岩样有逐渐强化的作用,强度增幅15%~20%。(2)如果在加载阶段岩样内部已经出现明显的局部破坏,产生了不可恢复的宏观裂纹,此时卸载会促使宏观裂纹层面间产生滑移,再加载时,岩样很快即失稳破坏。(3)岩样单轴压缩声发射(AE)曲线大体可分为4个阶段,即压密阶段:声发射缓慢增加;弹性阶段:声发射趋于平稳;塑性阶段:声发射稳定增加;峰后屈服阶段:声发射剧烈增加,对应于应力明显跌落时声发射数陡增并伴有高能量事件发生。(5)矽卡岩在循环加卸载作用下具有费拉西蒂效应随着加卸载循环次数的增加,费拉西蒂比逐渐变小,