周期性循環(huán)載荷作用下巖石聲發(fā)射規(guī)律試驗研究

1、第30卷第5期 巖 土 力 學 V ol.30 No.5 2009年5月 Rock and Soil Mechanics May 2009收稿日期:2007-10-22基金項目:國家自然科學基金重點項目(No.50534080;國家自然科學基金項目(No.50574108。第一作者簡介:許江,男,1960年生,教授,博士,博士生導師,主要從事巖石力學與工程方面的研究。E-mail: jiangxu 通訊作者:唐曉軍,男,1979年生,碩士,主要從事安全技術及工程方面的研究。E-mail: greatang文章編號:1000-7598 (2009 05-1241-06周期性循環(huán)載荷作用下巖石聲發(fā)

2、射規(guī)律試驗研究許 江1,唐曉軍1, 2,李樹春1,楊紅偉1,陶云奇1(1.重慶大學 西南資源開發(fā)及環(huán)境災害控制工程教育部重點試驗室,重慶 400030;2.重慶工業(yè)職業(yè)技術學院 建筑工程系,重慶 400050摘 要:聲發(fā)射是巖石等脆性材料內(nèi)部損傷的伴生現(xiàn)象。在周期性循環(huán)載荷作用下通過改變不同應力幅度和不同加載速率對細粒砂巖進行聲發(fā)射試驗研究,探討了聲發(fā)射在周期性載荷作用下的聲發(fā)射規(guī)律。研究結果表明,改變上限應力對聲發(fā)射現(xiàn)象的影響顯著,而改變下限應力的影響主要在循環(huán)末期,提早了每個循環(huán)聲發(fā)射產(chǎn)生時間;加載速率的增加提高了聲發(fā)射率,特別是循環(huán)過程中主裂紋的形成和擴展階段,加快了巖石破壞進程;不同應

3、力幅度和加載速率下聲發(fā)射表現(xiàn)出不同的發(fā)展模式,不同模式預示著不同的巖石變形破壞速率。 關 鍵 詞:循環(huán)加載;聲發(fā)射;細砂巖;試驗研究 中圖分類號:TU 459+.3 文獻標識碼:AExperimental research on acoustic emission rulesof rock under cyclic loadingXU Jiang 1, TANG Xiao-jun 1, 2, LI Shu-chun 1, YANG Hong-wei 1, TAO Yun-qi 1(1. Key Laboratory for Exploitation of Southwestern Resour

4、ces and Environmental Disaster Control Engineering, Ministry of Education, Chongqing University,Chongqing 400030, China; 2. Department of Building Engineering, Chong Qing Industry Polytechnic College, Chongqing 400050, ChinaAbstract: The damage process is accompanied by the acoustic emission (AE for

5、 brittle materials such as rocks . AE rule of fine sandstone was investigated under cyclic loading at different loading rates and different stress ranges. The research shows that changing upper limit stress has strong effect on AE rules, and changing lower limit stress advances the time of AE at the

6、 end of cyclic loading. Increasing loading rate makes the AE rate bigger, and accelerates the process of rock failure, especially, when the main crack is forming and expending. AE has the different changing mode at different stress ranges and different loading rates, which indicate the different def

7、ormations and failures rates of rock.Key words: cyclic loading; acoustic emission; sandstone; experimental research1 引 言巖石是由多種礦物組成的結合體,含有許多裂縫和空洞等不連續(xù)面,是一種非均勻的非線性體,其受載特性和其他材料有很大的不同。由于巖土工程在施工和運營階段,經(jīng)常會遇到循環(huán)載荷的作用,巖體在循環(huán)載荷作用下的力學性能是影響巖土工程長期穩(wěn)定性的重要因素之一,而聲發(fā)射作為一種研究巖石受載變形、損傷、破壞演化規(guī)律的有效技術,已經(jīng)廣泛應用于實際工程中。關于巖石在循環(huán)載荷作用下的

8、聲發(fā)射研究,前人已做了一些相關的試驗1-3,得出了一些規(guī)律性的認識。文獻1-2研究了等幅循環(huán)載荷作用下巖石和混凝土疲勞破壞過程中的變形規(guī)律和聲發(fā)射特征;文獻3進行了不等幅循環(huán)試驗,研究了凱瑟效應和費利西蒂效應規(guī)律;文獻4-5研究了加載速率對聲發(fā)射的影響。損傷是巖石在循環(huán)載荷作用下體現(xiàn)其內(nèi)部結構變化的一個重要指標,而聲發(fā)射信息是巖石內(nèi)部受損情況的外在體現(xiàn),可以通過觀測聲發(fā)射信號強弱變化來判斷巖石內(nèi)部每個階段裂紋的萌生、擴展、貫通等演化規(guī)律。由于加載速率和應力水平是影響巖石聲發(fā)射的重要因素,因此本文擬利用MTS815.01巖石力學試驗系統(tǒng)和12 CHs PCI-2聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)檢測不同循環(huán)載荷

9、試驗巖土力學 2009年條件(不同應力比和不同加載速率下的聲發(fā)射規(guī)律。通過對比不同試驗條件下的聲發(fā)射特性,探討巖石在循環(huán)載荷作用下的損傷演化規(guī)律。2 試驗方法及內(nèi)容2.1 試件的采取與加工試件選用細粒砂巖,為盡可能降低因天然巖石試件個體差異造成的試驗結果的離散性,在大塊完整無節(jié)理的砂巖體上采取密鉆取樣提取巖芯,且以每3個自然位置臨近的試件分為1組進行試驗。將所采集的巖樣采用濕式加工法加工成50 mm 100 mm的圓柱體試件,端面平行度控制在0.02 mm 以內(nèi),加工成型后試件保持自然干燥狀態(tài)。2.2 試驗設備及試驗方案本試驗以MTS815.01巖石力學試驗系統(tǒng)作為動力設備,根據(jù)試驗需要采集軸

10、向荷載、軸向變形、橫向變形和時間數(shù)據(jù),繪制相應參數(shù)關系圖。采用美國聲學物理公司PAC(Physical Acoustic Corporation生產(chǎn)的12 CHs PCI-2聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)檢測巖石在不同循環(huán)載荷試驗條件(不同應力比和不同加載速率下的聲發(fā)射特征。本試驗中設定聲發(fā)射測試分析系統(tǒng)的主放為40 dB,門檻值為45 dB,探頭諧振頻率為20400 kHz,采樣頻率為106次/s。采用雙通道采集數(shù)據(jù),探頭放置于砂巖試件長度方向上的中心,并用膠帶固定。為了消除試件端部與壓力盤之間因摩擦而產(chǎn)生的噪聲,在試件兩端加墊層材料隔絕噪聲,減小摩擦,同時聲發(fā)射探頭的檢測面抹上一層黃油并緊貼在試件中部

11、,排凈空氣,耦合劑要薄,試件、耦合劑、探頭三者阻抗特性在數(shù)量上應相匹配7。為了確定相關各循環(huán)載荷試驗參數(shù),首先選取數(shù)個細粒砂巖試件進行單軸壓縮試驗,取各材料參數(shù)試驗值的平均值作為其參數(shù)值,表1具體給出了通過試驗測取的細粒砂巖基本物理力學參數(shù)值,再進行循環(huán)加載試驗。為了保持恒定的加載速率,采用力控制方式,加載波形為三角波,選取不同的加載速率(21.54、33.60 kN/min和不同的應力比范圍(0.450.80、0.300.90、0.450.90進行加載,這里上限應力比為循環(huán)上限應力max與單軸抗壓強度的比值,下限應力比為循環(huán)下限應力min與單軸抗壓強度的比值,如圖1所示,其中max表示循環(huán)上

12、限應力,min表示循環(huán)下限應力;另外,在整個試驗過程中,為保證加載系統(tǒng)與聲發(fā)射系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)同步,加載系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)應同時進行記錄。表1 砂巖基本物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of sandstone 密度/ (g/cm3彈性模量/ GPa泊松比單軸抗壓強度/MPa2.442 16.46 0.30 83.21 圖1 加載波形示意圖Fig.1 Sketch of wave shape of loading3 試驗結果及分析3.1 試驗結果初步分析由于巖石是天然材料,其試驗結果的離散性遠大于金屬等材料,若嚴格控制巖石試件的采集、加

13、工和篩選,則可以較為明顯地減少這種離散性。圖2具體給出了本次循環(huán)加載過程與強度試驗曲線的對比圖。 (a (b圖2 強度試驗曲線與循環(huán)試驗曲線對應圖Fig.2 The curve for intensity and cyclicexperimentation1242軸向應變第5期 許 江等:周期性循環(huán)載荷作用下巖石聲發(fā)射規(guī)律試驗研究從圖2中可以看出,細粒砂巖在循環(huán)載荷作用下的應力-應變曲線和強度試驗曲線較為吻合,說明通過對取樣和加工的嚴格把關,可較好地控制巖石試驗結果的離散性,且為后續(xù)的試驗研究奠定了良好的基礎;還可以看出,循環(huán)破壞峰值處的軸向應變值和單軸壓縮峰值處的應變值基本相同,說明加載路徑

14、、方式的不同并不改變巖石的變形特性,其破壞仍受其極限應變的控制,當軸向變形發(fā)展到一定程度之后,由變形引起的累計損傷會導致巖石的最終破壞。而在循環(huán)過程中,隨著循環(huán)數(shù)的增加,橫向應變、體積應變所形成的塑性滯回環(huán)沿著其相應應變量增大的方向演化發(fā)展的趨勢。圖3為聲發(fā)射、應力-時間對應圖,可以看出,AE 與循環(huán)載荷下的應力變化有很好的對應關系,其聲發(fā)射規(guī)律明顯。 圖3 聲發(fā)射振鈴數(shù)、應力-時間曲線對應圖 Fig.3 The curve for AE counts, stress and time3.2 應力幅值及加載速率對AE 的影響圖4顯示加載速率為21.54 kN/min 時不同應力比下的應力-聲發(fā)

15、射-時間對應圖。圖5為加載速率為33.60 kN/min 時不同應力比下的應力-聲發(fā)射-時間對應圖,分別顯示了不同試件的聲發(fā)射試驗結果。當上限應力比為0.90時,聲發(fā)射規(guī)律基本相同,每個循環(huán)都產(chǎn)生了聲發(fā)射信號,說明在上限應力比為0.90時每循環(huán)都對巖石有明顯的損傷,并最終在破壞時達到最大值,而較上限應力比為0.80循環(huán)試驗,除了在加載初期有明顯信號外,后面循環(huán)過程則不明顯,說明上限應力在循環(huán)加載過程中對巖石聲發(fā)射信號敏感。在試驗過程中觀測結果也是如此,上限應力比為0.90時明顯,聲發(fā)射信號都集中出現(xiàn)在每個循環(huán)過程中接近上限應力附近。而對于0.80時則不明顯,在后面的循環(huán)過程中偶爾有少量聲發(fā)射產(chǎn)

16、生,即每循環(huán)產(chǎn)生很少的損傷。但由于上限應力比0.80仍然在循環(huán)破壞門檻值6以上,在這種應力比下只要有更多的循環(huán)次數(shù)仍能累積更多的損傷使試件破裂。由于條件限制未進行更多循環(huán)試驗,因而未觀測到全過程變化規(guī)律。同時,在整個循環(huán)加載過程中卸載階段除了在循環(huán)中后期產(chǎn)生聲發(fā)射外,循環(huán)前期很少產(chǎn)生。(a 應力比范圍0.450.90(b 應力比范圍0.300.90(c 應力比范圍0.450.80圖4 循環(huán)載荷作用下應力、振鈴數(shù)-時間對應圖(速率為21.54 kN/minFig.4 The curve for counts and time under cyclic loadingRate: 21.54 kN/

17、mi n當上限應力相同,而下限應力不同時,聲發(fā)射整體規(guī)律基本相同。但在循環(huán)加載過程末期,裂紋進入了非穩(wěn)定發(fā)展階段,由于累積損傷區(qū)的增大,導致有效承載面積降低使有效應力的相對提高,因而下限應力降低同樣會使裂紋持續(xù)擴展,聲發(fā)射在每個循環(huán)產(chǎn)生的時間提前,產(chǎn)生更多的聲發(fā)射。圖應力比范圍0.450.90應力振鈴數(shù)應力振鈴數(shù)應力振鈴數(shù)應力振鈴數(shù)1243巖土力學 2009年4、5中的(a、(b顯示了上限應力比為0.90時的聲發(fā)射結果,圖5(c顯示了上限應力比為0.80時聲發(fā)射結果。比較可知,在高應力階段上限應力相差10 %,顯現(xiàn)出明顯的聲發(fā)射差異,說明上限應力是循環(huán)加載過程中影響聲發(fā)射的關鍵,同時根據(jù)損傷與

18、應力之間的關系可知,應力越大,損傷越多,外在顯現(xiàn)明顯。(a 應力比范圍0.450.90 (b 應力比范圍0.300.90(c 應力比范圍0.450.80圖5 循環(huán)載荷作用下應力、振鈴數(shù)-時間對應圖(速率為33.60 kN/minFig.5 The curve for counts and time under cyclic loadingRate: 33.60 kN/min對于不同加載速率條件下的聲發(fā)射規(guī)律,由圖4、5可知,不同加載速率下相同應力幅度的聲發(fā)射規(guī)律基本一致,整個循環(huán)加載過程的聲發(fā)射現(xiàn)象沒有多大的差別,但速率的變化對聲發(fā)射影響主要體現(xiàn)在聲發(fā)射率的變化上,加載速率的變化影響了聲發(fā)射率

19、的變化,速率的提高實際加快了巖石損傷進程,增大了巖石內(nèi)部裂紋形成擴展的速率,從而增大了聲發(fā)射率。由于循環(huán)載荷作用下巖石裂紋發(fā)展是持續(xù)閉合、張開的過程,加載速率的提高,裂紋還來不及閉合就有新的能量注入,這樣大大降低了張開過程中需要的阻力,從而使裂紋擴展加速,釋放更多的能量,外在顯現(xiàn)出聲發(fā)射率的增加。在相同應力比下,不同加載速率的聲發(fā)射率有較大差別,特別是在主裂紋形成和擴展的循環(huán)階段,其聲發(fā)射率顯著的增加,加快了巖石變形破壞進程。如圖4(a、(b的循環(huán)破壞時間明顯多于圖5(a、(b的循環(huán)破壞時間。3.3 循環(huán)加載過程AE變化模式分析聲發(fā)射是巖石內(nèi)部裂紋演化發(fā)展的外在顯現(xiàn),與損傷具有一致性8,體現(xiàn)了

20、巖石因外力受損情況。聲發(fā)射率是單位時間內(nèi)聲發(fā)射參數(shù)的數(shù)量,表明了巖石由于內(nèi)部裂紋形成、擴展所釋放出的能量,聲發(fā)射率高,說明內(nèi)部損傷嚴重。將每循環(huán)上限應力處對應的軸向應變提取出來,作出軸向應變與聲發(fā)射總數(shù)(率關系圖。從圖6中可以看出,軸向應變的變化區(qū)間和聲發(fā)射數(shù)的波動區(qū)間有很好的對應關系,呈明顯的3個階段的規(guī)律1。應變速率變化快,則聲發(fā)射波動明顯;應變變化緩慢,聲發(fā)射平穩(wěn)。循環(huán)初期變形速率變化比較快,相應的聲發(fā)射數(shù)變化也快;當軸向應變變化處于一個比較穩(wěn)定階段時,聲發(fā)射發(fā)展較平穩(wěn),聲發(fā)射數(shù)變化不大;到末期由于變形速率的提高,聲發(fā)射數(shù)明顯增加,這種循環(huán)作用下的巖石變形破壞進程緩慢,可以稱其為穩(wěn)定發(fā)展

21、型。圖7、8分別顯示了在不同循環(huán)應力比和加載速率下其他試件的試驗結果。其中圖7(a與圖8(a為應力幅值為0.300.90應變與聲發(fā)射率關系圖?？梢钥闯?兩者都在循環(huán)中后期聲發(fā)射率變化明顯,前期變化不大;圖7(b與圖8(b為應力幅值為0.45 0.90應變與聲發(fā)射率關系圖,可以看出,聲發(fā)射率除了開始和末期變化比較明顯外,中間有平穩(wěn)期,也有波動期。這和裂紋的發(fā)展有關,平穩(wěn)期表現(xiàn)出裂紋發(fā)展比較平穩(wěn),裂紋擴展速率慢,且裂紋不大,而波動期則表明在循環(huán)載荷作用下由于其累計的能量釋放,小裂紋容匯貫通,開始形成大的裂紋,釋放出比較多的應變能。圖中整個循環(huán)過程中大都在應變曲線拐點,即應變速率變化快處出現(xiàn)聲發(fā)射率

22、的突變點,說明因應變速率的變化引起的巖石內(nèi)部應力振鈴數(shù)應力振鈴數(shù)應力振鈴數(shù)1244第5期許江等:周期性循環(huán)載荷作用下巖石聲發(fā)射規(guī)律試驗研究 (a (b圖6 應變與聲發(fā)射數(shù)對應圖Fig.6 The curve for strain and AE countsunder cyclic loading (a 應力幅度為0.300.90 (b 應力幅度為0.450.90圖7 不同應力幅度下應變與聲發(fā)射率對應圖(速率為21.54 kN/minFig.7 The curve for strain and AE rate at different stressrange rates: 21.54 kN/mi

23、n (a 應力幅度為0.300.90 (b 應力幅度為0.450.90圖8 不同應力幅度下應變與聲發(fā)射率對應圖(速率為33.60 kN/minFig.8 The curve for strain and AE rate at different stressrange rates: 33.60 kN/min快速損傷通過聲發(fā)射率的變化顯現(xiàn)出來,而由于加載速率的不同,導致裂紋擴展速率的不同,特別在循環(huán)加載末期,使速率為33.60 kN/min的聲發(fā)射率高于速率為21.54 kN/min的聲發(fā)射率。聲發(fā)射率突變點的出現(xiàn),預示著巖石破裂的局部主裂紋已經(jīng)形成。在試驗過程中也觀測到,在突變明顯的循環(huán)中形成

24、了肉眼可見的初始裂紋。主裂紋的形成預示著巖石變形破壞在局部開始加劇,裂紋的發(fā)展由分散轉為集中。在后面的循環(huán)過程中能量的吸收主要聚集在局部較大的裂紋周圍,只要能量再一次累計到某個程度,巖石就可能隨時失穩(wěn)破壞,這種模式可稱其為突變型。因此,可以通過聲發(fā)射率的變化來觀測巖石在循環(huán)載荷作用下的損傷演化規(guī)律。4 結論(1等幅循環(huán)載荷作用下改變上限應力對聲發(fā)射影響最大,而下限應力的影響主要在循環(huán)末期。(2加載速率對聲發(fā)射的影響主要在聲發(fā)射率上,特別是主裂紋形成擴展階段,速率加大使循環(huán)過程中的主裂紋形成、擴展速率增加,加快了巖石破壞的速率,從而增大了聲發(fā)射率。12451246 巖 土 力 學 Enginee

25、ring, 2004, 21(23: 6067 2009 年 （3）不同加載速率和應力幅度下的循環(huán)試驗， 聲發(fā)射規(guī)律體現(xiàn)出不同的發(fā)展模式。不同的模式預 示著巖石不同的破壞速率，穩(wěn)定型表明巖石在循環(huán) 載荷過程中破壞進程緩慢，需要更長的時間。而突 變型表明，循環(huán)過程中破壞進程快速，巖石變形破 壞的速率加快。 參 考 文 獻 1 蔣宇, 葛修潤, 任建喜. 巖石疲勞破壞過程中的變形規(guī) 律 及 聲 發(fā) 射 特 性 J. 巖 石 力 學 與 工 程 學 報 , 2004, 11(23: 18101814. JIANG Yu, GE Xiu-run, REN Jian-xi. Deformation ru

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