复合岩石损伤破坏过程的声发射研究

复合岩石损伤破坏过程的声发射研究

层压岩石通常用于采矿、水保护、水电保护、交通、建筑物、隧道、地下碳储量等项目。它的破坏特性及稳定性研究至关重要。然而在研究复合岩石损伤过程方面,直接观察其从微观开始的损伤破坏过程往往是很困难的,有时需要昂贵的仪器设备。在声发射方面,国内外也进行过相应的研究。本文作者采用高性能常规仪器及采取特殊措施,在复合岩石加载过程中损伤演化的声发射方面,获得了微小损伤过程信号,为分析研究复合岩石的损伤萌芽及演化全过程进行了有益的探索。1实验1.1试验仪器和设备为获得岩石在微损伤时的声发射过程,实验采用的设备有:1)高性能低噪声专用测量放大器B&K2636,其频率范围为1Hz～200KHz,增益范围为-30～+100dB,是获取微小损伤声发射的有力工具;2)高灵敏度宽频带B&K4369压电式接收换能器,最高测量频率达10.6KHz,可满足对微弱信号的灵敏度及频率范围要求,是测试的关键部件;3)带通滤波器B&K1617,有多个子频段供选择,并具多级滤波带宽。可方便地调节至关注的频段或欲滤除的干扰杂波范围;4)高性能专用磁记录仪B&K7006,该机具有双通道展缩器,可实现扩展微弱信号和压缩强信号的高动态记录,使信噪比超过70dB;5)快速高精度波形记录仪B&K2308,具有特轻质笔头及高性能伺服控制电路。可实现对不同波形和幅度信号的记录并以线性或对数方式进行瞬时曲线描绘;6)加载设备,YE-200A型材料实验机、SBS7型手动液压泵和YS150-5C型试验专用千斤顶。测试系统如图1所示。1.2测量放大器及原理首先,为适当延长损伤破坏过程并仔细观察破坏发展现象,实验采用了单轴岩石试件压缩法,以期获得更明显的损伤破坏过程和声发射信号。试件与压力试验机之间加装了橡皮垫,可有效地滤除机器低频干扰信号。测量放大器上选择了B计权带通档位,所配的带通滤波器调至200Hz以上的高通。经大量试验证明,测量较坚硬的灰岩类岩石,其声发射频率较高,而加橡皮垫及滤波功能后可显著减弱机器振动影响。其次,选用了测量放大器上的适当高增益低噪声档位及磁记录仪上的展缩器功能,并适当增加加载速率,以提高弱信号幅度,而对过强的声发射信号则利用磁记录仪上的压缩功能适当减小,以避免过载信号失真。第三,对强度较低的砂岩及页岩,采用手动加压泵配千斤顶加载进行声发射测试,可更有效地获得弱信号并消除干扰。2声发射特征试验为分辨与确定复合岩石破坏特征,分析损伤的萌生与发展演化,先对单一岩石的损伤声发射特征进行试验,再进行层状复合岩石的声发射特征试验。岩石试样采用人工刻槽取自某煤矿煤系地层,在岩样加工室经切割磨平而成长方体试件。其尺寸为50mm×50mm×100mm,以使换能器平面与试件侧面紧密接触。3.1微裂纹声发射作用试件为深灰色石灰岩。其结构紧密,主要矿物为方解石,含少量有机质和微细星散状黄铁矿,具有细脉状节理,块状结构,在高倍电镜下可见少量微孔隙及微裂隙(另文刊登)。图2为其代表性的测试结果。从测试全过程看,自开始加载至完全破坏所经历的时间较长,其损伤声发射过程也较长,由于使用了展缩功能,所以在一幅图上能完整地看到损伤裂纹萌芽的微弱信号、损伤扩展的演化信号直至最终破坏的信号波形。从图中可看出,加载一段时间后,灰岩的损伤开始是极微弱的。微孔隙、微裂纹或弱面因受力而扩展,产生微弱声发射。当其积累到一定数量即有一次较大的突增值。显然是一些微小损伤裂纹的突然贯通,造成了一次较为明显的声发射。但由于灰岩强度较高及矿物晶粒间的相互凝聚嵌合磨擦阻止等,使得裂纹扩展至某处某方向时停止扩展。随着载荷的继续增加,当其不能抵抗更高的外载作用时,一些原始孔隙、微裂纹及已扩展的裂纹又继续扩展,造成又一次的明显声发射。随后又遇阻力,……。如此反复,损伤演化逐步增强,数量、面积逐步扩大,声发射密度及强度逐渐加强,使微裂纹由隐形至明显,由一条变多条,最后完全不能抵抗载荷的作用,出现了一次剧烈的崩溃性破坏。至此,测试信号消失。试件最终破坏应力值达91.8MPa,试件多数呈条状劈裂破坏。3.2微孔隙及纹理损伤试件为钙质细砂岩,主要矿物为石英、长石、细粒结构,钙质粘土质胶结,碎屑呈半磨圆状,具细纹理。在高倍显微镜下能看到有明显的微孔隙和微裂纹。图3为一试件典型损伤破坏声发射波形图。从图中可知,砂岩的微孔隙及纹理损伤过程较短,较集中。除加载过程中有试件边角纹理损伤破坏造成微小声发射外,最终损伤扩展及破坏过程中声发射的峰值及频率均较灰岩有所降低,从微小损伤的起始萌芽、扩展,到最末的剧烈破坏经历时间亦较短(与加载速率有关)。声发射幅值较低,说明岩石矿物颗粒间及胶结物间的凝聚力较低,损伤断裂强度小。而声发射信号则主要由砂岩矿物及胶结物间的分离、剪切与位错产生,并且最终破坏的整体声发射脉冲宽度较宽而集中。由此表明:只要砂岩一处损伤萌芽发生扩展,且加载又在继续加大时,会造成连锁式损伤扩展,并最终形成雪崩式破坏。该试件的破坏应力为31.4MPa,破坏形态几乎呈“×”型剪切破坏。3.3损伤扩展变形特征试件为黑褐色炭质页岩,泥质胶结,含大量植物化石碎片,颗粒细小致密。具细微孔隙及微裂纹结构。图4是具有代表性试件的损伤破坏过程声发射波形图,由图可见:此类岩石由于矿物强度低、颗粒粘聚力差、加上具有较多的细微孔隙及微裂纹损伤等初始损伤,因而加载后应变极明显,矿物晶粒易沿初始损伤发生错位分离,从而造成明显的损伤扩展变形。所以,破坏往往是一经开始萌芽就不可阻止,一次即达到从损伤演化扩展至完全破坏。几乎没有明显的分次损伤扩展破坏迹象。声发射强度更低,波形更宽,仅有极微弱的前期损伤萌发脉动波形,但持续极短。试件最终完全破坏的应力为20.3MPa,破坏形态呈小碎块状。4岩屑破坏过程4.1破坏过程及结果分析由上述同类石灰岩、砂岩和页岩分别制成50mm×50mm×33mm块体,用504粘结剂制成复合岩石试件如图5所示。接收换能器贴于石灰岩亚层侧面。加载速率以0.1～0.12MPa/s进行。压力试验机作为机架被动加载,手动液压泵及千斤顶作主动加载。加压后测得的层状复合岩石损伤演化发展过程波形如图6所示。图中显示出,水平亚层层状复合岩石在持续增加载荷时,具有明显协调渐进分级破坏特征。同时用电阻应变测量的结果表明:变形最大的页岩亚层首先出现损伤破坏。从图6中的第一组波形的幅值、宽度及脉冲变化特征可判定是页岩发生损伤演化扩展,导致一次雪崩式加速破坏。紧接着有一次卸载和明显位移过程。随着载荷的持续增加,页岩亚层碎块除掉落的外,余下的被压成粉状并逐渐密实固结而继续传递压力。第一个集中破碎波形后的脉动波形即反映出页岩亚层碎块由粗至细、由松散至紧密的发展过程。砂岩亚层的损伤扩展破坏在图6中也显现出较为集中,但声发射强度比页岩亚层大。只是实际破坏载荷的降低过程比单一砂岩稍短。这表明由于页岩亚层碎块残存使砂岩受到不均匀载荷作用,使砂岩亚层损伤扩展的起始位置发生在某些受载集中处。而一旦出现损伤扩大贯通,即发生连锁式大面积加剧破坏,且块度稍大而应变较页岩亚层小。随后的碎块压实过程基本同页岩亚层,只是其压实过程的声发射时间稍长。在经历了第二次卸载、位移、压实及升载后,灰岩亚层开始出现损伤萌芽及扩展声发射,与单一灰岩受压相比较,其波形强度有所减小,过程缩短,且损伤扩展演化速率加快,这可以从图6中得知。而灰岩亚层的破坏载荷值有一定增加,灰岩亚层破坏后成大小不等碎块。至此。整个层状复合岩石完全丧失承载能力,彻底破坏。4.2损伤破坏声发射的特征竖向层状复合岩石试件采用砂岩、灰岩、页岩三个亚层顺序的排列方式,各个亚层的厚度适当加至2cm,用504粘结剂粘合而成。试件如图7所示。适当降低加载速率,以延长损伤破坏过程和便于仔细观察分析。加载仍采用1500kN的千斤顶加载,换能器贴于页岩一侧。图8为4#竖向层状复合岩石试件损伤破坏声发射过程展宽波形。从图中分析得出:最高峰值波形以前的是灰岩微损伤萌芽出现至逐渐扩展加强的过程。即从微小至间或有明显声发射,再至加密损伤扩展声发射,并没有波形宽度较大的页岩亚层或砂岩亚层的损伤破坏波形出现。从试件的破坏初期观察到:仅灰岩亚层有微裂纹出现,而砂岩、页岩亚层未见到裂纹出现。这表明灰岩因弹性模量大,可变形量小而担负了抵抗较大变形、承受较大载荷的作用。当灰岩亚层的变形足够大,超过其许用变形时,即产生损伤裂纹并逐步扩展。而页岩或砂岩亚层在同样的变形下,不一定发生明显的损伤裂纹。图8中最高一组波形则是灰岩最终破坏时的一次强烈声发射情形。表明灰岩由于损伤裂纹迅速扩展,不能抵抗更大载荷而发生较大的破坏,随后有短暂的卸载,紧接着出现砂岩亚层急剧破坏的较宽波形,以及页岩亚层紧随着出现崩溃的低幅值宽幅脉动波形。实验实际观察到页岩与砂岩亚层几乎是同时急剧破坏,它们的前期损伤裂纹扩展在灰岩亚层破坏时已经开始萌芽,只是被强波掩盖而已。4复合岩石间的损伤演化1)煤系地层的灰岩、砂岩及页岩在分别受载时的损伤演变过程明显不同。灰岩过程长,非周期性瞬时显著损伤与破坏明显,最终破坏时峰值高,波形较窄;砂岩的损伤发展过程较短,峰值降低,表现出较快的损伤发展破坏特征;而页岩的损伤扩展破坏过程则最短,且波形宽、峰值低,几乎呈一次性加速扩展破坏特点。2)复合岩石的损伤扩展演变过程明显受各亚层岩石层面倾角、各亚层岩石构成与性质及加载情况等的影响。3)水平层状复合岩石试件的各亚层岩石受载相同,但应变不同,表现出明显协调渐进分级破坏特征。岩质较差的软弱亚层