单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系_韩放

1、单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系韩放1纪洪广1张伟21北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京1000832总参工程兵第四设计研究院,北京100850摘要设计了岩石试块的单轴加卸荷实验.利用声发射观测动态检测损伤的扩展,通过超声波检测来定量评价岩石试块的损伤程度.结果表明:岩石在加载和卸载两种过程中都有新的损伤产生;其损伤扩展和演化过程可以通过声发射监测来动态观测,损伤演化的水平则可通过超声波的信号特征进行定量评价.关键词露天矿;岩石;加荷;卸荷;损伤;超声波;声发射分类号T D 315收稿日期:2006-06-18修回日期:2006-12-18基金项目:“十五”

2、国家科技攻关计划(No .2004BA615A -05;教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(No .20040008025作者简介:韩放(1962,男,博士研究生;纪洪广(1963,男,教授,博士生导师岩体的开挖过程的力学本质是一个变荷过程.对于边坡工程,岩体开挖后,其力学状态主要表现为卸荷;对于地下工程,洞室开挖卸荷后,产生二次应力场,其切向主要表现为加荷,而径向则表现为卸荷.近年来,在有关岩石卸荷特性的实验研究方面取得了一系列的成果1-5.文献6指出岩石材料对应力历史具有记忆特性;也就是说岩石的力学性能不仅取决于当时的应力状态,还取决于全部过去的应力状态7.而实际上,这种记忆是指材料

3、对损伤的记忆.因此,要研究水厂铁矿这类深凹露天矿边坡的稳定性,必须充分考虑边坡开挖的过程性,以及由这一开挖过程的卸荷对岩体性能本身产生的影响.声发射(acoustic emission ,简称AE 是材料受力状态发生变化时而释放出的弹性波.研究表明:声发射能量代表了岩石内部损伤的产生.声发射的KAISER 效应记忆了岩石的先前损伤程度8,也是对岩石承受荷载产生损伤的一种测量9.而超声波穿过岩石后,会携带大量有关岩石材料性能、内部结构及其组成的信息.应用超声波可检测不同状态岩石、岩体的损伤程度.准确测定这些声学参数的变化,将可以推断岩石的性能、内部结构的变化.本文设计了一个岩石试块在单轴加卸载条

4、件下的实验,利用AE 观测追踪试块的损伤扩展,利用超声波观测来定量评价不同状态下的损伤程度,以分析岩石材料在卸载过程中力学性能的变化.1岩石声学实验研究1.1实验原理超声波的传播速度与岩石内部裂隙程度有直接关系.岩石的受荷变形直至破坏的过程,是由于岩石本身的裂隙的闭合、张开和扩展造成的.文献5指出岩石在单轴受荷条件下,微裂隙在单轴受荷后的变形(闭合、张开、扩展等将是改变岩石声学特性的主要因素.通过超声波可以直接反映在岩石不同受荷状态下波速的变化.岩石在荷载作用下发生的破坏过程,主要与裂隙的产生、扩展及断裂过程有关.裂隙形成或扩展时,造成应力松弛,贮存的能量以应力波的形式突然释放,产生声发射现象

5、.因此,通过声发射检测,即可以连续地检测材料或者结构内部变形或损伤演化的全过程10.将超声波与声发射检测系统同时用于岩石受荷过程中的监测,可以更加全面真实地反映岩石的破坏机理.1.2实验装置及设备实验采用加卸载控制系统和超声波、声发射检测系统三套装置.加卸载控制系统采用长春市朝阳实验仪器有限公司生产的WEP -600液压式屏显万能实验机,最大压力为600kN ,提供轴向的加载与卸载.实验加载控制速率为56kPa ·s -1,卸载速率为60kPa ·s-1.超声波监测系统采用北京康科瑞公司生产的NM3C 非金属超声波检测分析仪.测试参数设置如下:采样周期为0.20s ,采样长

6、度为1024,发射电压为500V .第29卷第5期2007年5月北京科技大学学报Journal of University of Science and Technology BeijingVol .29No .5May 2007声发射检测系统采用沈阳计算机技术研究设计院生产的AE21C 声发射监测系统.测试参数设置如下:增益为20dB ,门槛为10dB ,撞击定义时间为200s ,撞击间隔时间为300s ,波形选择突发波,触发电平为0.1V . .图1实验装置图Fig .1Sketch of th e text device1.3实验内容与方案对分别取自水厂铁矿、抚顺市西露天矿的岩石试样以恒

7、定的加卸载速度进行单轴加卸荷,在临近岩石的极限荷载时卸载直到荷载为零.在此过程中对超声波波速、声发射事件进行监测.压力机对试块施加轴向压力,分别在12,24,36,48,60,72,60,48,36,24,12kN 的荷载水平进行超声波测试及数据的采集;在试样受力变形的的全过程中,保持加卸载系统与声发射监测同步进行.在压力实验机上测出荷载-位移曲线.岩石受力变形达到极限强度的90%时进行卸载,保持加卸载系统和超声波、声发射监测系统同步进行.2实验结果与分析2.1岩石变形与声发射特征图2为加卸荷过程中岩石试样声发射率与应 力、应变的关系.将试样荷载和应变进行归一化处理:=/max ,max 为岩

8、石单轴强度;=/m ax ,max 为实验过程中试样最大应变.图2应力-应变曲线与声发射特征关系Fig .2Relation of stress -s train curve with AE ch aracteristics图2表明:在加载初期,岩石内部的裂隙处于调整阶段,声发射事件随着应力的增长而迅速增加;进入弹性阶段后,声发射事件趋于平静;而随着应力的进一步增加,岩石进入新破裂产生阶段,声发射事件突然增加;进入卸荷阶段后,在卸荷的初始阶段,岩石试样声发射信号骤然增多,形成一个峰值;而随着图3声速与应力关系Fig .3Relation of sonic velocity with stres

9、s第一阶段(AB :荷载从零开始逐渐增加的过程,声速逐渐增大,表明试样中原有裂隙由于受压闭合.第二阶段(BC :随着荷载继续增大,产生大量声发射信号,说明试样中新的裂隙开始开展;声速虽然有所下降,但是下降速率不是很大,说明在新裂隙·453·第5期韩放等:单轴加卸荷过程中岩石声学特性及其与损伤因子关系开展的同时,一部分原有裂隙被压缩闭合.第三阶段(CD :荷载加到预定最大压力值后卸载,声发射信号反而骤然增多,说明卸载过程中有新裂隙开展,声速的下降也表明了损伤的扩展.第四阶段(DE :荷载卸到D 点时声发射信号较少,声速增大,表明张拉破坏程度降低,新的裂隙开展减少,试样中由于受

10、压张开的裂隙由于荷载的下降开始闭合.第五阶段(EF :荷载继续降低直到卸荷至零,产生了少量声发射信号,说明随着卸荷的进一步增加,造成新的裂隙张开;但声速下降明显,说明试样中原有被压缩闭合的裂隙重新张开.初始A 点波速与F 点波速的差值主要是由于加卸过程中新裂隙的开展造成的,同时也说明可以通过波速的测定确定岩石内部裂隙的开展程度,对岩石加卸荷过程中的损伤进行估计.3岩石损伤因子的定量分析对于脆性材料通过弹性应变方法定义损伤因子D 11.对于无损伤材料,应力和弹性应变满足下式:=E e1(1当材料受损时,在同一应力下其弹性应变e1将改变为e2,即1-D=E e2(2=E (1-D e 2=E e2

11、(3式中,E =E (1-D ,为受损材料的弹性模量,称为有效弹性模量.所以,有D =1-EE(4纵波速度V p 与介质弹性系数的关系为12:V p =E (1-(1+(1-2(5式中,E 为弹性模量,为泊松比,为材料密度.将式(5代入式(4可得:D 1-(V p /V f 2(6式中,V p 为岩石中的纵波速度,m ·s -1;V f 为完整岩石(无损伤中的纵波速度,m ·s -1;D 为岩石的损伤因子,变化范围为01.0,分别对应完全密实与完全开裂状态.如前所述,纵波波速与岩石的弹性模量、泊松比、密度及裂隙的张开、闭合、开展有密切关系,因此 采用波速作为损伤因子能综合反

12、映岩石各参数在加卸载过程中的变化.由于在现场取回的岩块经历的卸荷、烘干脱水作用,在加工试样的过程产生一定的损伤,所以试样的波速低于完整岩石.因此将未受荷的岩石试样的波速V p0代入式(6,即得到岩石试样的初始损伤因子:D 01-(V p0/V f 2(7本实验得到损伤因子随应力变化的曲线如图4所示,表现如下几点规律.卸载阶段与加载阶段的主要区别在于:卸载初始阶段(CD 段损伤因子明显增大,其他阶段卸载曲线近似于加载的逆过程.AB 段与EF 段曲线较陡,变化较大,说明初始损伤较大;BC 与DE 段损伤发展缓慢.图4损伤因子随应力变化曲线Fig .4Curve of damage an d str

13、ess因为损伤因子直接反映了岩石中裂缝及缺陷的开展情况,所以不仅可以用于检测在承载过程中的损伤程度,还可以用于评定岩石由于疲劳荷载、收缩、徐变及其他环境因素影响下的损伤状况.4结论(1加卸载都能造成岩石的损伤,这种损伤可以用声发射变化来证实.(2声发射监测可以追踪损伤扩展的程度,两种方法的结合,就可以全面动态监测与评价材料的损伤状况.(3在加载初期,岩石内部的裂隙处于调整阶段,声发射事件随着应力的增长而迅速增加;进入弹性阶段后,声发射事件趋于平静;而随着应力的进一步增加,声发射事件突然增加,表明有新的损伤产生;在高应力水平上转入卸载阶段后,初始阶段声发射信号反而骤然增多,形成一个峰值;之后,随

14、着卸荷的深入,其声发射信号减少;当卸荷继续直至卸荷为零点,又出现少量声发射信号,表明卸荷过程也会引起损伤的扩展.·454·北京科技大学学报第29卷(4利用超声波波速来定义损伤因子,可以根据超声波特征变化来定量反映岩石加卸荷过程中损伤状况,这对于检测岩石加卸载过程中的损伤程度更为方便.(5露天开挖过程对岩石力学参数的影响十分显著,在水厂铁矿这类深凹露天矿的边坡设计优化和稳定性分析中,必须充分考虑这种变化.参考文献报,2003,22(12:2028利水电技术,2001,5:483 哈秋.岩石边坡工程与卸荷非线性岩石(体力学.岩石力学与工程学报,1997,16(4:3864张永兴

15、, 哈秋.三峡工程永久船闸高边坡岩体力学特性研.重庆建筑大学学报,1996,18(4:645赵明阶,吴德伦.单轴受荷条件下岩石的声学特性模型与实验.岩土工程学报,1999,21(5:540工程的原则与方法.东北煤炭技术,1997,2(1:108纪洪广,李造鼎.混凝土材料Kaiser 效应与Felicity 效应关系的实验研究.应用声学,1997,16(6:309樊运晓.损伤:KAISER 效应记忆机理的探讨.岩石力学与工程学报,2000,19(2:254出版社,20041990Relationship between the acoustic characteristics and damag

16、e variable in the process of uniaxial loading and unloadingHAN Fang 1,J I Hongguang 1,ZH ANG Wei 21The Key Laboratory of High -Efficient M ining and Safety for M etal M ines of China M inistry of Education ,Univers ity of Science and Technology Beijing ,Beij ing 100083,China2The 4th Engineering Desi

17、gn &R esearch Academy ,General S taff PLA ,Beijing 100850,C hinaABSTRAC T Underground ex cavation is an unloading process ,which not only results in the change of stress distribution in surrounding rocks ,but also gives rise to the change in rock properties .In order to analy ze the sta -bility

18、of slope and optimize the desig n ,studies on the change in mechanical properties of rocks ,due to unloading process caused by excavation in an open -pit mine ,must be carried out .In uniaxial loading and unloading pro -cess ,the damage process in rocks w as tested by ultrasonic w ave and acoustic emission ,in w hich the damage de -