單軸加卸荷過程中巖石聲學(xué)特性及其與損傷因子關(guān)系_韓放

1、單軸加卸荷過程中巖石聲學(xué)特性及其與損傷因子關(guān)系韓放1紀(jì)洪廣1張偉21北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京1000832總參工程兵第四設(shè)計研究院,北京100850摘要設(shè)計了巖石試塊的單軸加卸荷實驗.利用聲發(fā)射觀測動態(tài)檢測損傷的擴展,通過超聲波檢測來定量評價巖石試塊的損傷程度.結(jié)果表明:巖石在加載和卸載兩種過程中都有新的損傷產(chǎn)生;其損傷擴展和演化過程可以通過聲發(fā)射監(jiān)測來動態(tài)觀測,損傷演化的水平則可通過超聲波的信號特征進行定量評價.關(guān)鍵詞露天礦;巖石;加荷;卸荷;損傷;超聲波;聲發(fā)射分類號T D 315收稿日期:2006-06-18修回日期:2006-12-18基金項目:“十五”

2、國家科技攻關(guān)計劃(No .2004BA615A -05;教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(No .20040008025作者簡介:韓放(1962,男,博士研究生;紀(jì)洪廣(1963,男,教授,博士生導(dǎo)師巖體的開挖過程的力學(xué)本質(zhì)是一個變荷過程.對于邊坡工程,巖體開挖后,其力學(xué)狀態(tài)主要表現(xiàn)為卸荷;對于地下工程,洞室開挖卸荷后,產(chǎn)生二次應(yīng)力場,其切向主要表現(xiàn)為加荷,而徑向則表現(xiàn)為卸荷.近年來,在有關(guān)巖石卸荷特性的實驗研究方面取得了一系列的成果1-5.文獻6指出巖石材料對應(yīng)力歷史具有記憶特性;也就是說巖石的力學(xué)性能不僅取決于當(dāng)時的應(yīng)力狀態(tài),還取決于全部過去的應(yīng)力狀態(tài)7.而實際上,這種記憶是指材料

3、對損傷的記憶.因此,要研究水廠鐵礦這類深凹露天礦邊坡的穩(wěn)定性,必須充分考慮邊坡開挖的過程性,以及由這一開挖過程的卸荷對巖體性能本身產(chǎn)生的影響.聲發(fā)射(acoustic emission ,簡稱AE 是材料受力狀態(tài)發(fā)生變化時而釋放出的彈性波.研究表明:聲發(fā)射能量代表了巖石內(nèi)部損傷的產(chǎn)生.聲發(fā)射的KAISER 效應(yīng)記憶了巖石的先前損傷程度8,也是對巖石承受荷載產(chǎn)生損傷的一種測量9.而超聲波穿過巖石后,會攜帶大量有關(guān)巖石材料性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成的信息.應(yīng)用超聲波可檢測不同狀態(tài)巖石、巖體的損傷程度.準(zhǔn)確測定這些聲學(xué)參數(shù)的變化,將可以推斷巖石的性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化.本文設(shè)計了一個巖石試塊在單軸加卸載條

4、件下的實驗,利用AE 觀測追蹤試塊的損傷擴展,利用超聲波觀測來定量評價不同狀態(tài)下的損傷程度,以分析巖石材料在卸載過程中力學(xué)性能的變化.1巖石聲學(xué)實驗研究1.1實驗原理超聲波的傳播速度與巖石內(nèi)部裂隙程度有直接關(guān)系.巖石的受荷變形直至破壞的過程,是由于巖石本身的裂隙的閉合、張開和擴展造成的.文獻5指出巖石在單軸受荷條件下,微裂隙在單軸受荷后的變形(閉合、張開、擴展等將是改變巖石聲學(xué)特性的主要因素.通過超聲波可以直接反映在巖石不同受荷狀態(tài)下波速的變化.巖石在荷載作用下發(fā)生的破壞過程,主要與裂隙的產(chǎn)生、擴展及斷裂過程有關(guān).裂隙形成或擴展時,造成應(yīng)力松弛,貯存的能量以應(yīng)力波的形式突然釋放,產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象

5、.因此,通過聲發(fā)射檢測,即可以連續(xù)地檢測材料或者結(jié)構(gòu)內(nèi)部變形或損傷演化的全過程10.將超聲波與聲發(fā)射檢測系統(tǒng)同時用于巖石受荷過程中的監(jiān)測,可以更加全面真實地反映巖石的破壞機理.1.2實驗裝置及設(shè)備實驗采用加卸載控制系統(tǒng)和超聲波、聲發(fā)射檢測系統(tǒng)三套裝置.加卸載控制系統(tǒng)采用長春市朝陽實驗儀器有限公司生產(chǎn)的WEP -600液壓式屏顯萬能實驗機,最大壓力為600kN ,提供軸向的加載與卸載.實驗加載控制速率為56kPa ·s -1,卸載速率為60kPa ·s-1.超聲波監(jiān)測系統(tǒng)采用北京康科瑞公司生產(chǎn)的NM3C 非金屬超聲波檢測分析儀.測試參數(shù)設(shè)置如下:采樣周期為0.20s ,采樣長

6、度為1024,發(fā)射電壓為500V .第29卷第5期2007年5月北京科技大學(xué)學(xué)報Journal of University of Science and Technology BeijingVol .29No .5May 2007聲發(fā)射檢測系統(tǒng)采用沈陽計算機技術(shù)研究設(shè)計院生產(chǎn)的AE21C 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng).測試參數(shù)設(shè)置如下:增益為20dB ,門檻為10dB ,撞擊定義時間為200s ,撞擊間隔時間為300s ,波形選擇突發(fā)波,觸發(fā)電平為0.1V . .圖1實驗裝置圖Fig .1Sketch of th e text device1.3實驗內(nèi)容與方案對分別取自水廠鐵礦、撫順市西露天礦的巖石試樣以恒

7、定的加卸載速度進行單軸加卸荷,在臨近巖石的極限荷載時卸載直到荷載為零.在此過程中對超聲波波速、聲發(fā)射事件進行監(jiān)測.壓力機對試塊施加軸向壓力,分別在12,24,36,48,60,72,60,48,36,24,12kN 的荷載水平進行超聲波測試及數(shù)據(jù)的采集;在試樣受力變形的的全過程中,保持加卸載系統(tǒng)與聲發(fā)射監(jiān)測同步進行.在壓力實驗機上測出荷載-位移曲線.巖石受力變形達到極限強度的90%時進行卸載,保持加卸載系統(tǒng)和超聲波、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)同步進行.2實驗結(jié)果與分析2.1巖石變形與聲發(fā)射特征圖2為加卸荷過程中巖石試樣聲發(fā)射率與應(yīng) 力、應(yīng)變的關(guān)系.將試樣荷載和應(yīng)變進行歸一化處理:=/max ,max 為巖

8、石單軸強度;=/m ax ,max 為實驗過程中試樣最大應(yīng)變.圖2應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聲發(fā)射特征關(guān)系Fig .2Relation of stress -s train curve with AE ch aracteristics圖2表明:在加載初期,巖石內(nèi)部的裂隙處于調(diào)整階段,聲發(fā)射事件隨著應(yīng)力的增長而迅速增加;進入彈性階段后,聲發(fā)射事件趨于平靜;而隨著應(yīng)力的進一步增加,巖石進入新破裂產(chǎn)生階段,聲發(fā)射事件突然增加;進入卸荷階段后,在卸荷的初始階段,巖石試樣聲發(fā)射信號驟然增多,形成一個峰值;而隨著圖3聲速與應(yīng)力關(guān)系Fig .3Relation of sonic velocity with stres

9、s第一階段(AB :荷載從零開始逐漸增加的過程,聲速逐漸增大,表明試樣中原有裂隙由于受壓閉合.第二階段(BC :隨著荷載繼續(xù)增大,產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號,說明試樣中新的裂隙開始開展;聲速雖然有所下降,但是下降速率不是很大,說明在新裂隙·453·第5期韓放等:單軸加卸荷過程中巖石聲學(xué)特性及其與損傷因子關(guān)系開展的同時,一部分原有裂隙被壓縮閉合.第三階段(CD :荷載加到預(yù)定最大壓力值后卸載,聲發(fā)射信號反而驟然增多,說明卸載過程中有新裂隙開展,聲速的下降也表明了損傷的擴展.第四階段(DE :荷載卸到D 點時聲發(fā)射信號較少,聲速增大,表明張拉破壞程度降低,新的裂隙開展減少,試樣中由于受

10、壓張開的裂隙由于荷載的下降開始閉合.第五階段(EF :荷載繼續(xù)降低直到卸荷至零,產(chǎn)生了少量聲發(fā)射信號,說明隨著卸荷的進一步增加,造成新的裂隙張開;但聲速下降明顯,說明試樣中原有被壓縮閉合的裂隙重新張開.初始A 點波速與F 點波速的差值主要是由于加卸過程中新裂隙的開展造成的,同時也說明可以通過波速的測定確定巖石內(nèi)部裂隙的開展程度,對巖石加卸荷過程中的損傷進行估計.3巖石損傷因子的定量分析對于脆性材料通過彈性應(yīng)變方法定義損傷因子D 11.對于無損傷材料,應(yīng)力和彈性應(yīng)變滿足下式:=E e1(1當(dāng)材料受損時,在同一應(yīng)力下其彈性應(yīng)變e1將改變?yōu)閑2,即1-D=E e2(2=E (1-D e 2=E e2

11、(3式中,E =E (1-D ,為受損材料的彈性模量,稱為有效彈性模量.所以,有D =1-EE(4縱波速度V p 與介質(zhì)彈性系數(shù)的關(guān)系為12:V p =E (1-(1+(1-2(5式中,E 為彈性模量,為泊松比,為材料密度.將式(5代入式(4可得:D 1-(V p /V f 2(6式中,V p 為巖石中的縱波速度,m ·s -1;V f 為完整巖石(無損傷中的縱波速度,m ·s -1;D 為巖石的損傷因子,變化范圍為01.0,分別對應(yīng)完全密實與完全開裂狀態(tài).如前所述,縱波波速與巖石的彈性模量、泊松比、密度及裂隙的張開、閉合、開展有密切關(guān)系,因此 采用波速作為損傷因子能綜合反

12、映巖石各參數(shù)在加卸載過程中的變化.由于在現(xiàn)場取回的巖塊經(jīng)歷的卸荷、烘干脫水作用,在加工試樣的過程產(chǎn)生一定的損傷,所以試樣的波速低于完整巖石.因此將未受荷的巖石試樣的波速V p0代入式(6,即得到巖石試樣的初始損傷因子:D 01-(V p0/V f 2(7本實驗得到損傷因子隨應(yīng)力變化的曲線如圖4所示,表現(xiàn)如下幾點規(guī)律.卸載階段與加載階段的主要區(qū)別在于:卸載初始階段(CD 段損傷因子明顯增大,其他階段卸載曲線近似于加載的逆過程.AB 段與EF 段曲線較陡,變化較大,說明初始損傷較大;BC 與DE 段損傷發(fā)展緩慢.圖4損傷因子隨應(yīng)力變化曲線Fig .4Curve of damage an d str

13、ess因為損傷因子直接反映了巖石中裂縫及缺陷的開展情況,所以不僅可以用于檢測在承載過程中的損傷程度,還可以用于評定巖石由于疲勞荷載、收縮、徐變及其他環(huán)境因素影響下的損傷狀況.4結(jié)論(1加卸載都能造成巖石的損傷,這種損傷可以用聲發(fā)射變化來證實.(2聲發(fā)射監(jiān)測可以追蹤損傷擴展的程度,兩種方法的結(jié)合,就可以全面動態(tài)監(jiān)測與評價材料的損傷狀況.(3在加載初期,巖石內(nèi)部的裂隙處于調(diào)整階段,聲發(fā)射事件隨著應(yīng)力的增長而迅速增加;進入彈性階段后,聲發(fā)射事件趨于平靜;而隨著應(yīng)力的進一步增加,聲發(fā)射事件突然增加,表明有新的損傷產(chǎn)生;在高應(yīng)力水平上轉(zhuǎn)入卸載階段后,初始階段聲發(fā)射信號反而驟然增多,形成一個峰值;之后,隨

14、著卸荷的深入,其聲發(fā)射信號減少;當(dāng)卸荷繼續(xù)直至卸荷為零點,又出現(xiàn)少量聲發(fā)射信號,表明卸荷過程也會引起損傷的擴展.·454·北京科技大學(xué)學(xué)報第29卷(4利用超聲波波速來定義損傷因子,可以根據(jù)超聲波特征變化來定量反映巖石加卸荷過程中損傷狀況,這對于檢測巖石加卸載過程中的損傷程度更為方便.(5露天開挖過程對巖石力學(xué)參數(shù)的影響十分顯著,在水廠鐵礦這類深凹露天礦的邊坡設(shè)計優(yōu)化和穩(wěn)定性分析中,必須充分考慮這種變化.參考文獻報,2003,22(12:2028利水電技術(shù),2001,5:483 哈秋.巖石邊坡工程與卸荷非線性巖石(體力學(xué).巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1997,16(4:3864張永興

15、, 哈秋.三峽工程永久船閘高邊坡巖體力學(xué)特性研.重慶建筑大學(xué)學(xué)報,1996,18(4:645趙明階,吳德倫.單軸受荷條件下巖石的聲學(xué)特性模型與實驗.巖土工程學(xué)報,1999,21(5:540工程的原則與方法.東北煤炭技術(shù),1997,2(1:108紀(jì)洪廣,李造鼎.混凝土材料Kaiser 效應(yīng)與Felicity 效應(yīng)關(guān)系的實驗研究.應(yīng)用聲學(xué),1997,16(6:309樊運曉.損傷:KAISER 效應(yīng)記憶機理的探討.巖石力學(xué)與工程學(xué)報,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 -