水巖作用下巖石的單軸壓縮過程及聲發(fā)射特征,力學論文

水巖作用下巖石的單軸壓縮過程及聲發(fā)射特征,力學論文華而不實Rd1、Rd1分別為干濕循環(huán)1次枯燥、飽和狀態(tài)的單軸抗壓強度。從對數(shù)系數(shù)大小來看枯燥狀態(tài)單軸抗壓強度降幅較飽和狀態(tài)大，即受干濕循環(huán)作用影響較大。與未經(jīng)過干濕循環(huán)的單軸抗壓強度(72.5MPa)相比，循環(huán)1次后飽和狀態(tài)單軸抗壓強度急劇下降，降幅達20%，循環(huán)越往后抗壓強度降低幅度越小。若按擬合關(guān)系計算，兩種狀態(tài)隨循環(huán)次數(shù)增加其抗壓強度均趨近于一漸進值，飽和狀態(tài)趨近45MPa、枯燥狀態(tài)趨近75MPa。從單軸抗壓強度的變化趨勢進行分析，干濕循環(huán)6次前降幅較大，而后漸平穩(wěn)，也反映出前幾次循環(huán)對紅砂巖劣化影響最大，隨干濕循環(huán)的進行，其內(nèi)部礦物構(gòu)造是一個不穩(wěn)定至漸穩(wěn)定的經(jīng)過，初期的孔隙增大、增加，親水礦物被溶解、膠結(jié)能力降低等，均是不穩(wěn)定的因素。而根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，無論是枯燥或者飽和狀態(tài)，該類紅砂巖試樣即便在循環(huán)屢次后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出在彈性變形階段后發(fā)生完全毀壞均較忽然、迅速。其峰值強度階段的應(yīng)變約2%～3%，在變形很小的情況下就趨于發(fā)生毀壞，講明試驗所選研究對象即赤水紅砂巖脆性特征明顯。2.3聲發(fā)射特征分析試驗中常用的聲發(fā)射參數(shù)有振鈴計數(shù)、幅度、能量等。一般講的聲發(fā)射計數(shù)即振鈴計數(shù)就是通過設(shè)置一個閾值電壓，超過此閾值電壓的那些電壓會構(gòu)成矩形脈沖，我們對這些矩形脈沖進行計數(shù)，在一定程度能夠反映聲發(fā)射信號中的幅度，其變化趨勢可反映出試樣在單軸壓縮毀壞經(jīng)過中其內(nèi)部裂紋發(fā)出的聲發(fā)射信號的強烈程度。本文選擇用累計振鈴計數(shù)進行干濕循環(huán)條件下脆性紅砂巖的聲發(fā)射特征分析。以飽和狀態(tài)為例，進行單軸壓縮經(jīng)過中的聲發(fā)射試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下脆性紅砂巖的時間-應(yīng)變-累計計數(shù)關(guān)系曲線，見圖4。圖4干濕循環(huán)條件下脆性紅砂巖單軸壓縮時間-應(yīng)變-累計計數(shù)關(guān)系曲線不考慮循環(huán)次數(shù)從時間-應(yīng)變-累計計數(shù)曲線的整體分析。起初，累計計數(shù)曲線小幅度上凸增長的階段，為巖石單軸壓縮經(jīng)過中的裂隙壓密階段，該階段聲發(fā)射累計計數(shù)有小幅度突增，是由于巖石孔隙和微裂隙被集中壓密所導(dǎo)致的聲發(fā)射事件激增。而壓密后，巖石內(nèi)部構(gòu)造更為致密、均勻，表現(xiàn)出一定的彈性特征，聲發(fā)射活動較少，累計計數(shù)曲線近似直線變化且增長較為緩慢，該段為彈性變形階段。累計計數(shù)直線段后緊接著有大幅度突變上升，該階段為塑性變形至完全毀壞階段，隨荷載的加大巖石內(nèi)部大量裂紋的產(chǎn)生、擴展和貫穿，該階段聲發(fā)射活動頻繁、劇烈。如此圖3、圖4，若只根據(jù)單軸壓縮經(jīng)過中的應(yīng)變-時間、應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線，常規(guī)變形毀壞中的穩(wěn)定破裂發(fā)展階段、累進性毀壞階段在脆性紅砂巖的單軸壓縮經(jīng)過已不明顯，所以，結(jié)合聲發(fā)射特征曲線能夠更合理地劃分為3個表現(xiàn)顯著的階段:裂隙壓密階段、彈性變形階段、宏觀毀壞階段。根據(jù)時間-應(yīng)變-累計計數(shù)曲線對脆性紅砂巖試樣在單軸壓縮經(jīng)過中的階段進行劃分后，可分別得到其在干濕循環(huán)1、3、6、10次單軸壓縮裂隙壓密階段累計計數(shù)占總比的8%、16%、24%、27%，即隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壓密階段的聲發(fā)射事件有逐步增加的趨勢，在前6次循環(huán)尤為明顯，再結(jié)合上述孔隙率的分析，即在前6次干濕循環(huán)中孔隙率的增大也最明顯，所以對裂隙壓密階段聲發(fā)射活動影響較大，也進一步驗證了干濕循環(huán)后會造成孔隙增加或擴大。根據(jù)圖3、圖4，進入彈性變形階段后從應(yīng)變變化趨勢是難以判定巖石內(nèi)部關(guān)鍵斷裂擴展及貫穿的，而聲發(fā)射的突變現(xiàn)象能夠作為該特征點的判定根據(jù)。通過累計計數(shù)的統(tǒng)計分析，干濕循環(huán)1、3、6、10次在該特征點即進入宏觀毀壞階段時的累計計數(shù)占總體的比例分別約13%、29%、40%、41%，即在宏觀毀壞階段中聲發(fā)射累計計數(shù)占比分別為87%、71%、60%、59%，講明脆性紅砂巖低次干濕循環(huán)的變形高度集中在宏觀毀壞階段，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部孔隙、微裂隙增加、擴大，壓縮經(jīng)過中巖石內(nèi)部的變形毀壞、聲發(fā)射活動也逐步提早。而從脆性紅砂巖試樣在毀壞時的特征來看(圖5)，干濕循環(huán)低次的時候試樣毀壞霎時猛烈、碎石塊彈出很遠，毀壞面形態(tài)主要呈X狀共軛斜面以及垂直豎面，其毀壞機制以張拉為主;循環(huán)到高次后毀壞霎時較溫和、碎石塊濺出距離較近，除低次循環(huán)的兩種毀壞形態(tài)外，毀壞面還有呈單斜面，這是由于毀壞面上的剪切應(yīng)力大于其極限應(yīng)力，其毀壞機制以剪切毀壞為主。綜上分析，循環(huán)低次脆性紅砂巖內(nèi)部儲存應(yīng)變能的能力較強，而高次循環(huán)后，巖石內(nèi)部更趨于靠裂隙的擴展、顆粒的錯動而釋放應(yīng)變能，所以脆性紅砂巖在干濕循環(huán)條件下，其毀壞形式有脆性毀壞向延性毀壞的過渡趨勢。圖5干濕循環(huán)條件下脆性紅砂巖單軸壓縮毀壞特征3結(jié)論(1)紅砂巖在干濕循環(huán)條件下，循環(huán)初期主要是小開孔隙向大開孔隙的過渡，總孔隙變化不大;循環(huán)中期因粘土礦物的溶解、膠結(jié)薄弱帶的毀壞等導(dǎo)致小開、大開孔隙都有顯著的增長，總孔隙在這一階段增幅明顯;循環(huán)后期巖石內(nèi)部構(gòu)造、礦物均逐步穩(wěn)定，各孔隙增幅漸降低。(2)干濕循環(huán)作用對脆性紅砂巖的影響程度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而降低。循環(huán)初期、中期是由于孔隙的逐步擴大、增加，以及親水礦物逐步溶解及膠結(jié)薄弱帶的毀壞;隨循環(huán)繼續(xù)進行，孔隙增長緩慢、巖石內(nèi)部構(gòu)造逐步趨于穩(wěn)定，所以循環(huán)后期劣化幅度小、較平穩(wěn)。(3)干濕循環(huán)條件下紅砂巖的單軸抗壓試驗中，枯燥、飽和狀態(tài)毀壞時的應(yīng)變約2%～5%，脆性特征明顯;在彈性變形階段后發(fā)生完全毀壞均較忽然、迅速，應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)變-時間曲線不能明顯地表現(xiàn)出常規(guī)變形毀壞中的穩(wěn)定破裂發(fā)展階段、累進性毀壞階段;根據(jù)聲發(fā)射特征曲線能夠更合理地將脆性紅砂巖的單軸壓縮經(jīng)過劃分為3個表現(xiàn)顯著的階段:裂隙壓密階段、彈性變形階段、宏觀毀壞階段。(4)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壓密階段的聲發(fā)射事件有逐步增加的趨勢，主要是由于孔隙的逐步增大、增加導(dǎo)致;彈性變形階段后累計計數(shù)的突變能夠作為巖石內(nèi)部關(guān)鍵斷裂初始擴展、貫穿的根據(jù)，且該特征點后的宏觀毀壞階段聲發(fā)射累計計數(shù)占比隨循環(huán)次數(shù)有降低趨勢，講明脆性紅砂巖低次干濕循環(huán)的變形高度集中在宏觀毀壞階段，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部孔隙、微裂隙增加、擴大，所以變形毀壞、聲發(fā)射活動也逐步提早，且毀壞形式有脆性毀壞向延性毀壞的過渡趨勢。以下為參考文獻[1]ThamLG,LiuH,TangCA,etal.Ontensionfailureof2-Drockspecimensandassociatedacousticemission[J].RockMechanicsandRockEngineering,2005,38(1):1-19.[2]NicksiarM,MartinCD.Evaluationofmethodsfordeterminingcrackinitiationincompressiontestsonlow-porosityrocks[J].RockMechanicsandRockEngineering,2020,45(4):607-617.[3]李庶林，尹賢剛，王泳嘉，等．單軸受壓巖石毀壞全經(jīng)過聲發(fā)射特征研究[J]．巖石力學與工程學報，2004,23(15):2499-2503.[4]陳颙．聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學研究中的應(yīng)用[J]．地球物理學報，1977(4):312-321.[5]秦四清．巖石聲發(fā)射技術(shù)概論[M]．成都:西南交通大學出版社，1993.[6]趙勇剛，朱寶龍，王英杰．風化后紅砂巖單軸壓縮變形及聲發(fā)射特性試驗[J]．西南科技大學學報，2020,27(4):44-48.[7]李地元，莫秋喆，韓震宇．干濕循環(huán)作用下紅頁巖靜態(tài)力學特性研究[J]．鐵道科學與工程學報，2021,15(5):83-89.[8]宋朝陽，紀洪廣，劉志強，等．干濕循環(huán)作用下弱膠結(jié)巖石聲發(fā)射特征試驗研究[J]．采礦與安全工程學報，2022,36(4):812-819.[9]宋朝陽，紀洪廣，蔣華，等．干濕循環(huán)作用下弱膠結(jié)砂巖聲發(fā)射特征及其細觀劣化機理[J]．煤炭學報，2021,43(S1):102-109.[10]王明芳．干濕循環(huán)作用下石膏質(zhì)巖劣化特征與機制研究[D]．武漢:中國地質(zhì)大學．2021.[11]趙勇剛，朱寶龍，王英杰．風化后紅砂巖單軸壓縮變形及聲發(fā)射特性試驗[J]．西南科技大學學報，2020,27(4):44-48.[12]楊睿．不同含水狀態(tài)砂巖三軸壓縮聲發(fā)射特征試驗研究[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2021,36(5):79-82.[13]潘凡．水作用下不同粒徑類巖試樣力學性質(zhì)及毀壞特征研究[D]．北京:中國礦業(yè)大學．2021.[14]楊禮寧，姜振泉，張衛(wèi)強，等.高溫作用后砂巖力學性質(zhì)研究[J]．地震工程學報，2021,38(2):299-302.[15]蔣浩，陳開圣.干濕循環(huán)下紅黏土