岩石类材料声发射试验研究

岩石类材料声发射试验研究

在外部或内部作用的作用下，岩石、混凝土和其他材料的变形和开裂，以及伴随着声、光、电等物理现象的变形能量现象。以下简称声音能量损失，后者是以弹性波的形式释放的。早在1953年,被誉为“声发射之父”的德国金属物理学家J.Kaiser就完成了常用工程材料声发射现象的研究,在此之后声发射技术得到了长足的发展并被广泛应用于工程和技术研究。从早期的单轴压缩试验,发展到加围压试验和直剪试验等研究岩石声发射的特性及相关理论,发表了许多研究成果。在岩土工程中,声发射技术主要应用于采场稳定性监测、边坡工程、量测地应力3个方面。如长沙矿山研究院的研究人员运用便携式发声仪DYF-1成功地进行了采场冒顶声发射的现场检测和预报。声发射的研究成果较大的程度上推动了矿山安全监测系统特别是微震监测系统的发展,解决了大量的工程问题。岩石、混凝土等材料受外载作用,当应力达到强度极限后,其应力会随着变形的增加而降低,这种现象通常被称之为“应变软化”。由于应变软化的影响,结构变形稳定发展到一定程度之后,会突然失去变形的稳定性,导致结构的动态破坏失效,甚至造成灾难。如采场的稳定性就是影响矿山安全生产关键问题,矿柱的突然失稳、矿岩的局部冒落是造成矿山安全事故的主要原因。故对此类事故进行监测和预报就有重要意义。笔者对砂岩、石灰岩、水泥砂浆3种岩样进行单轴压缩试验,对比了不同岩类的破坏声发射特性,为天然和人工岩样强度特性表征和稳定性评估提供依据。1岩石声发射试验方法1.1加载控制系统单轴压缩岩石声发射试验系统由全数字加载控制系统和声发射监测系统2部分组成。全数字加载控制系统是MTS815电液伺服岩石力学试验系统,其配有高响应液压伺服系统和全数字计算机自动控制系统。声发射监测系统是AE21C声发射测试系统,可对声发射事件自动计数、储存,可对声发射进行实时监测,并可进行波形和参数分析。试验系统如图1所示。1.2岩石材料形试件对取自江苏徐州某矿的砂岩、石灰岩和425号标准普通硅酸盐水泥砂浆加工成标准圆柱形试件,即直径50mm,高100mm。砂岩脆性较大,而石灰岩岩性均一、用途广泛,水泥砂浆是人工材料,均匀性比较好。为了保持岩样在试验过程中的完整性,在对岩样进行压缩前先沿岩样的柱面自下而上螺旋状缠绕一层塑料绝缘带,试样如图2所示。2试验结果及分析2.1受拉压密岩石后,下经试验,岩样在变形上基本经历了初始压密、弹性、塑性和峰后破坏4个阶段,但不同种岩石类材料关于这4个阶段的变形特征各有不同(图3)。由图3可以看出,砂岩是一种强度较大的脆性岩石,其矿物颗粒坚硬,结构致密,整个破坏过程中的变形较小。峰值前在经过了初始压密后,几乎是线弹性的,塑性变形不明显,而峰值后变形很小,荷载下降很快,破坏没有先兆,这表明峰值后基本失去承载能力。其破坏猛烈,有明显的炸裂声。石灰岩强度比砂岩低的多的脆性岩石,整个破坏过程中有一定的变形。压密阶段比砂岩略长,峰值前弹性阶段较长的,出现较为明显的塑性变形,峰值后,变形延续较长,其破坏是渐进式的剪切破坏,表明峰值后其承载能力明显减弱,继续加载破坏明显。破坏不猛烈,有较小的破裂声。水泥砂浆强度较低,加载后压密阶段较长,表明水泥砂浆内含有大量的微孔隙,塑性变形很早就出现,整个过程中其塑性变形较为明显,而弹性变形段不明显。峰值后变形延续很长,虽然承载能力有明显的下降,但其还是能承受一定的载荷。破坏不明显,局部被压碎,破坏碎块很小。明显可以看出,3种岩样中,砂岩是强度很高而且很坚硬的岩石,而水泥砂浆的强度很低,变形很大。总之,这3种岩样的变形特征存在较大差异,一方面是由岩石本身矿物的物理性质不同导致,如岩石矿物颗粒大小,软硬程度;另一方面是由于岩石内部存在的缺陷导致的,如岩石内部的节理、空洞等。同样由于这些差异导致了声发射特性的巨大不同。2.2考虑时间效应的岩石声发射研究在常规的岩石力学试验中,只对岩石的应力、应变之间的关系进行研究,通常都忽略时间效应的影响。但由于岩石的非均匀性和受力变形的非线性特点,在关于岩石的声发射试验研究中,充分考虑时间效应是非常必要的。本文从初始压密、弹性、塑性及峰后破坏4个阶段进行分析。1塑性阶段声发射的产生由于砂岩的矿物颗粒较硬、结构致密、没有节理,在压密、弹性阶段内都只有很少的随机的声发射产生。直到达到峰值载荷的85%(进入塑性阶段)时才有明显的声发射产生,之后声发射随着载荷的增加一直增加,在峰值载荷时达到最大,如图4和图5所示。由于砂岩的一种脆性很大、强度很高的岩石,在峰值后,岩石被完全压坏,没有承载能力,所以也几乎没有声发射产生。2声发射事件分析石灰岩性均一,破坏是渐进式的,整个变形过程中都有声发射事件产生,从开始的压密阶段到岩样破坏及峰后一段时间,声发射总体表现为先逐渐上升再下降。岩石峰值强度前,声发射振铃数发展趋势与应力-时间曲线走势相似,弹性阶段的前期和后期声发射事件明显,弹性阶段中期比较稳定,但其高低是间歇出现的,这种声发射率的阵发式增长,正说明了石灰岩破坏过程是一个个微裂纹不断扩展成较大裂纹,并在达到峰值时汇合成更大裂纹,岩样出现破坏。岩石峰值强度后,虽然声发射整体趋势下降,但也会间歇的出现较多声发射事件,说明石灰岩在破坏后,还有一定的承载能力,随着试验继续进行,局部的裂纹还在扩展,此时随着声发射的激增,应力值明显下降(如190和240s左右)。整个峰后是小裂隙、大裂隙不断更替积累、贯通的过程。3声发射事件分析水泥砂浆属于人工材料,其有自身结构的特点,内部有较多孔隙、微裂纹,质软,其峰值强度并不明显,故初始压密、弹性及塑性阶段声发射率不高,说明内部一直是微裂纹在扩展。在超过峰值后(350s左右),声发射激增,水泥砂浆出现贯穿裂隙,中间某些部位被压碎,但整体还具有一定承载能力。随着试验继续进行,岩样内部微裂纹继续扩展,声发射继续产生,在520s产生间歇性的突增。在应力水平超过岩样峰值强度的85%~90%之后,大多数岩石类材料的等应力增量间隔时间出现明显增加,而以时间为自变量的声发射振铃数却有明显的减少,出现峰值前的声发射时间相对平静期。从图5可以看出,石灰岩和水泥砂浆的振铃累计数曲线在峰值强度前趋于平缓,斜率下降,即出现声发射平静期,声发射事件数显著下降。在矿山岩体声发射技术的检测中,采场冒顶和岩爆发生前大多出现声发射事件的突然下降或者出现相对平静期的现象。本试验这一现象的出现说明室内也可证实岩石破坏过程中存在声发射平静期,并且它预示岩石应力将要达到峰值。从这3种试样来看,石灰岩的声发射活动性最大,砂岩在即将达到峰值时产生大量的声发射事件,而水泥砂浆整体声发射活动性较弱。砂岩和石灰岩峰值前的变性特征较为相似,但声发射特性并不相似(图4),这是因为石灰岩存在细小的节理和孔隙,初期的声发射就是由它们的扩展和汇合引起的。3声发射的特性1)岩石类材料的声发射受到多种因素的影响,如强度、节理、晶粒大小软硬。2)质软岩石类材料在弹性阶段的初期和后期,随着应力水平的增加声发射显著增加,特别是在弹塑性阶段,声发射增长迅速。强度高的坚硬岩石则无明显声发射产生。3)部分质软岩石类材料在接近峰值强度时单位时间内的声发射振铃数出现明显下降,即出现相对平静期。这种现象可以用来解释现场监测中,岩爆、冒