巴西劈裂条件下似斑状花岗岩试样力学及声发射特征_苏晓波.pdf

巴西劈裂条件下似斑状花岗岩试样力学及 声发射特征 苏晓波纪洪广权道路高宇张改改张同钊 1 （北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083） 摘要新城金矿新主井计划建设深度1 527 m， 为了探究该主井1 300 m左右似斑状粗粒花岗岩受拉破裂的 力学特征， 取新主井工勘孔似斑状花岗岩岩样， 借助应变检测装置及声发射检测设备等对劈裂受载的似斑状花岗 岩进行加载过程的实时监测。试验结果表明 ①花岗岩试样的横向应变变形分3个阶段， 且临近破裂前应变变化 趋势表现出非稳定性运动特征； ②随着加载进程的推进， 声发射计数整体活动性逐渐增强， 计数的变化随时间进程 呈现出起伏上升的规律， 并且逐渐由稀疏变得密集； ③结合运动稳定性理论、 振动能量分析及试验结果， 得到一次 破裂过程中平均每个声发射信号携带的能量出现峰值的现象可以作为似斑状花岗岩劈裂破坏加剧前兆之一。 关键词似斑状花岗岩巴西劈裂裂纹扩展声发射 中图分类号TD315文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -08-022-05 DOI10.19614/ki.jsks.201908004 Mechanical and Acoustic Emission Characteristics of Porphyritic Granite Samples under Brazilian Splitting Condition Su XiaoboJi HongguangQuan DaoluGao YuZhang GaigaiZhang Tongzhao2 （School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China） AbstractThe planned construction depth of the new main well in Xincheng Gold Mine is 1 527 m. In order to explore the mechanical characteristics of tensile fracture of porphyry-like coarse-grained granite about 1 300 m in the main well，the granite samples from the prospecting borehole are collected. The loading process of split-loaded porphyritic granite is moni- tored in real time by means of strain detection device and acoustic emission detection equipment. The experimental results are as follows（1）the transverse strain deation of granite samples is divided into three stages， and the strain change process approaching to fracture shows the characteristics of unstable motion.（2）with the advance of the loading process，the overall activity of the acoustic emission counting rate increases gradually， and the change of the counting rate shows the characteris- tics of fluctuation with the time process， and gradually changes from sparse to dense.（3）based on the theory of motion stabili- ty and the analysis of vibration energy， it is concluded that the abnormal high value of energy carried by each acoustic emission signal on average can be used as one of the precursors of granite splitting failure. KeywordsPorphyritic granite， Brazilian splitting， Crack propagation， AE 收稿日期2019-06-10 基金项目国家重点研发计划项目编号 2016YFC0600801， 国家自然科学基金重点项目编号 51534002。 作者简介苏晓波 （1992） ， 男， 博士研究生。通讯作者纪洪广 （1963） ， 男， 教授， 博士研究生导师。 总第 518 期 2019 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 518 August 2019 “十三五” 期间， 国内将建设一批深井， 其中新 城金矿新主井计划建设深度为1 527 m， 建井前的工 勘深度达1 331 m， 在深度1 298 m左右钻取的似斑 状花岗岩出现严重的饼化现象。通过巴西圆盘劈 裂试验对似斑状花岗岩的受拉力学特征及声发射 特征进行了试验研究， 不仅可以达到进一步了解该 似斑状花岗岩工程性能的目的， 同时也对该类岩石 劈裂破坏的力学响应及声发射特征有了基本的认 识， 这有助于判断该类岩石材料在开采空间处于局 部受拉状态下的承载状态及预测该材料的失稳破 坏。声发射作为一种无损检测手段可以定性以及 定量 ［1］地反映岩石破裂演化特征， 挖掘声发射所携 带的该类花岗岩材料微观受拉破裂特征具有一定 的实用价值。 22 ChaoXing 1圆盘径向受力分析及声发射特征简介 1. 1均质体圆盘的劈裂解析解 2个相等且方向相反的力沿着单位厚度圆盘的 直径作用， 圆盘上的应力分布为2个集中荷载对半无 限板作用的计算结果与圆盘平面内大小为2P/ （πd） 的均匀拉应力作用的叠加 ［2］。 如图1， 沿着圆盘铅垂直径水平方向上的应力分 布为 σx 2P πd - 2P π cosθ r sinθ2- 2P π cosθ1 r1 sinθ12.（1） 式 （1） 参数表示的意义如图1所示， 当r较小时即在圆 盘的顶、 底部位置， x方向会出现压应力， 其余部位x 方向上几乎均为拉应力， 越靠近θ0的中间位置拉应 力越大， 最大拉应力出现在铅垂直径的x方向上， 其 值为2P/ （πd） 。 1. 2声发射的特征 岩石材料受力后， 岩石内部的缺陷发挥一种能 量耗散的作用。这种岩石内部缺陷构成的微小结构 特征的变化加之不同的外界作用进而产生不同的声 发射信号特征。劈裂试验中的声发射信号主要以岩 石内部潜在缺陷在拉应力作用下裂纹产生发展致使 缺陷周围能量以应力波的形式发射 ［3］， 理论上拉应力 作用下的声发射信号有别于岩石受压的变化特征。 由运动稳定性理论可知， 如果受载弹性体所处 的状态是稳定的， 那么在受到微小干扰力作用之下， 弹性体内质点偏离原来位置后， 在干扰力撤去以后， 质点仍会回到其原来的位置。反之如果质点趋于某 一新位置， 那么质点在受干扰前所处位置的平衡状 态是不稳定的 ［4］。对于材料破裂前每一个声发射事 件而言， 都对应一个受载体局部质点的失稳运动过 程， 而大量质点的局部失稳性振动运动的逐渐发展 最终导致了脆性材料的宏观断裂即宏观变形的非稳 定性运动产生。 准静态加载条件下， 材料平均单个破裂事件声 发射的能量与材料的刚度与质点偏离平衡位置的位 移相关 EP 1 2 Kmξ2,（2） 式中，为位能 ；为周围介质刚度；ξ为质点偏 移平衡位置距离。随着加载进程的延续， 由于偏离 位置的逐渐增加， 理论上平均每个声发射事件携带 的能量是递增趋势。稳定性运动理论表明， 在材料 达到某一状态即材料非稳定性破裂之前， 材料中某 些质点的变形已经无法回到平衡位置， 那么每个破 裂所携带的声发射能量应该表现出宏观破裂前出现 峰值进而降低的发展趋势。 2试验方法及装备 将似斑状花岗岩加工成尺寸为直径50 mm， 厚度 25 mm的试样， 为了制造集中应力， 分别在试样顶端 和底部粘结形变较小的钢丝。如图2所示， 照片拍摄 于压力作用前， 由于还没有压力作用， 试样无法固定 致使拍摄试样倾斜。压力作用方向为上下作用。在 试样的一侧平面划分上、 中、 下3个应变检测区， 由上 至下分别为应变3、 应变1、 应变2， 试验过程中的声发 射探头凭借固定装置固定在圆盘试样两侧。 本次试验所采用的刚性压力试验机 （图 3） 为 GAW2000型单轴液压伺服机采用全程计算机控制， 可实现自动数据采集和处理； 机架采用实心刚架， 储 存的弹性能小， 以应力方式控制加载。试验所采用的 声发射装置为PCI-2型声发射仪器 （图4） 。预先采用 初始1 kN的力将试验试样固定至试验机上， 试样受力 作用线保证铅垂， 之后同一时刻启动压力试验机和应 变、 声发射检测装置， 试验机加载方式采用应力控制 方式， 直至加载到试样被一劈为二结束试验。 3试验结果分析 3. 1试验结果的应力应变分析 图5为所分析试样劈裂后图片， 由图可见劈裂断 面的材质较为均匀。 苏晓波等 巴西劈裂条件下似斑状花岗岩试样力学及声发射特征2019年第8期 23 EP Km ChaoXing 图6 （a） 为由试验加载机所获得的垂直线上横向 应力应变关系图， 图6 （b） 为上中下不同部位横向 拉应变随加载进程的变化趋势图。似斑状花岗岩试 样劈裂的应力应变曲线与一般岩石劈裂曲线相 近。垂直方向不同部位的横向应变随加载进程变化 的试验结果表明， 上中下3个部位的横向应变随加载 进程的变化趋势基本一致， 由于劈裂面较为均质所 以本试样试验结果符合圆盘两端受集中力的解析解 描述的变形规律。 垂直方向的横向应变变化趋势大概分为3个阶 段， 如图6 （b） 所示， 在加载进程的前50 s属于第一阶 段， 50～200 s 属于第二阶段， 200 s 以后属于第三阶 段。第一阶段为铅垂方向原生裂纹受拉张开及受压 区域原生裂纹闭合阶段， 该阶段的应变变化速率较 快。由于原生裂纹的大小及其分布较为随机且受所 选取的试样自身特性影响， 所以该试样第一阶段铅 垂方向3个部位的横向应变变化速率有所差异， 表现 在3个部位应变在时间进程上出现交叉。试验中由 其他试样应力应变关系发现， 对于含有原生裂纹 较少的似斑状花岗岩岩样， 受力第一阶段不明显。 第二阶段开始在原生裂纹受力张开或闭合结束后， 该阶段圆盘试样基本上处于弹性状态， 其力学响应 与弹性解析解相一致。这一阶段试样受力特征能够 真实反映岩石受拉的力学性能。第三阶段为裂纹加 速破裂扩展阶段， 该阶段是由于岩石劈裂面的材料 达到其抗力极限致使裂纹的扩展出现失稳现象。 将劈裂面受拉断裂前材料介质间的连接看作是 无数根 “弹簧” 的并联相接， 那么圆盘试样受劈整体 表现出的弹性刚度将与 “弹簧” 数量相关，“弹簧” 数 量越多材料刚度越大［5］， 随着弹性变形较差的 “弹簧” 的断裂， 在第二阶段以后受载刚度会逐渐减低。每 次 “弹簧” 的断裂都将产生声发射事件。 3. 2试验结果的声发射分析 如图7 （a） 所示， 由于应力诱发的声发射现象是 不可逆的 ［6］， 在受载进程的第一阶段即劈裂起始阶段 原生裂隙的张开与闭合几乎没有声发射计数产生。 加载进程进入到第二阶段后， 声发射计数整体活动 性开始增强， 计数变化随时间进程呈现出起伏上升 的特征， 并且逐渐由稀疏变得密集； 起伏上升特征反 映了岩石内部的非均质性以及裂纹扩展速率稳中有 升的变化过程， 疏密变化特征反映了随着荷载的增 加， 岩石中被激活的缺陷数量增多， 表明岩石内部的 裂纹扩展范围逐渐增大， 该阶段岩石内部裂纹扩展 较为稳定。第三阶段， 声发射计数显著增加， 表明岩 石内部的破裂程度与破裂速度较之前已发生了更为 显著的变化， 由图7 （b） 可见， 该阶段的释能特征极为 金属矿山2019年第8期总第518期 24 ChaoXing 明显。这表明该阶段岩石的裂纹扩展是一种动态失 稳过程， 这种失稳过程源于内部缺陷连锁式破坏， 表 现在声发射出现低振幅的连续性声发射并夹杂较多 分辨明显的突发式的声发射信号， 其结果导致试样 的 “雪崩式” 破坏， 能量集中释放从而声发射信号异 常强烈。 单轴受压破坏条件下， 花岗岩内部的声发射计 数稀疏程度呈现整体变化不大的特征 ［8］； 而劈裂破坏 试验表明似斑状花岗岩的计数率在受载进程第二阶 段表现出稀疏且间断的特征， 且每次破坏的声发射 信号受周围 “噪音” 干扰程度小易于区分； 表明该试 样第二阶段受拉破坏过程中， 内部缺陷微结构破坏 规模小， 延续性差， 造成这种现象的主要原因是试样 内部岩石的异质性及脆性特征加之外载较小、 外载 作用不均且作用区域有限等所致。 将潜在缺陷失效后的瞬间松弛振动近似为简谐 振动， 那么忽略质点的动能， 其失效时缺陷的振动能 量将与潜在缺陷破裂时周边质点的位能有关 ［5］。位 能大小与缺陷附近介质的刚度和偏离平衡位置的位 移相关， 随着载荷的增加位移逐渐增大， 理论上平均 单个声发射信号携带的能量将越来越多。然而如图7 （c） 所示， 单个声发射的能量的变化趋势并非持续增 加， 较为合理的解释便是潜在缺陷周边介质的刚度随 着载荷的增加而有所降低， 且随着局部失稳造成质点 新的平衡位置偏离初始位置。从储能的角度而言， 就 是岩石材料受载导致结构损伤破坏而形成微观耗散 机构从而降低储能能力及破坏释能能力。 图7 （c） 显示， 单个声发射信号平均携带能量最 高值出现在宏观横向应变非稳定性运动以前。如图 8所示为另一似斑状花岗岩试样的劈裂加载应变变 化趋势及平均单个声发射释能图， 由于非均质性影 响明显， 应变3在加载过程中的变形明显快于应变1 和应变2。在加载至126 s时， 应变3出现失稳性破裂 现象， 而平均携带能量最高值出现在97 s即横向应变 3非稳定性运动前。所以这个参数变化有一定参考意 义， 能够预测一些局部较大破坏， 进而预测整体失稳 破坏。这点是容易理解的， 脆性材料断裂前， 由于受 载作用材料处于 “绷紧” 状态， 进而在较小区域破裂过 程中由于刚度较大回弹力大， 试样裂纹整体水平较 少， 进而有利于固体中应力瞬变所导致的应力波传 播， 所以平均破裂事件的携能量是比较大的。破坏时 刻平均单个声发射信号的释能并非最大， 整体释能较 高取决于参与破坏的微缺陷数量是否较多。 4结论 （1） 似斑状花岗岩试样的横向应变变形分3个阶 段， 临近破裂前的应变变化进程表现出非稳定性运 动特征。 （2） 随着加载进程的推进， 试样声发射计数的整 体活动性逐渐增强， 计数的变化随时间进程呈现出 起伏上升的特征， 并且逐渐由稀疏变得密集。 （3） 在该花岗岩材料达到某一状态， 即材料非稳 苏晓波等 巴西劈裂条件下似斑状花岗岩试样力学及声发射特征2019年第8期 25 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ 定性破裂之前， 材料中某些质点的变形已经无法回 到平衡位置， 那么单个破裂所携带的声发射能量应 该在宏观破裂前出现峰值随后便持续降低。所以一 次破裂过程中平均单个声发射信号携带的能量出现 异常高值的现象可以作为花岗岩劈裂破坏加剧前的 特征之一。 参 考 文 献 纪洪广， 蔡美峰.混凝土材料断裂的声发射自相似性识别特征 ［J］ .岩石力学与工程学报， 1999， 18 （2） 39-42. Ji Hongguang ， Cai Meifeng Recognition characterization of acous- tic emission self-simularity in concrete fracturing［J］ . Chin J of Rock Mech Eng， 1999， 18 （2） 39-42. Timoshenko S P， Goodier J N.弹性理论［M］ . 3 版.北京 清华大学 出版社 2004. Timoshenko S P， Goodier J N. Elasticity Theory［M］ . 3rd Ed. Bei- jing Tsinghua University Press， 2004. 冶金工业部金属研究所. 声发射 ［M］ .北京 科学出版社， 1972 56-57. Metal Research Institute， Ministry of Metallurgical Industry. Acoustic Emission［M］ .Beijing Science Press， 1972 56-57. 秦元勋. 运动稳定性理论与应用 ［M］ . 北京 科学出版社， 1981. Qin Yuanxun. Theory and Application of Motion Stability［M］ . Bei- jing Science Press， 1981. 杜功焕， 朱哲民， 龚秀芬. 声学基础 ［M］ . 3版.南京南京大学出 版社， 2012. Du Gonghuan， Zhu Zhimin， Gong Xiufen. Acoustic Basis［M］ . 3rd Ed. Nanjing Nanjing University Press， 2012. Kaiser J.Erkenntnisse und Folgerungen aus der Messung von Geruschen bei Zugbeanspruchung von metallischen Werkstoffen ［J］ . Arch Eisenhttenwesen， 1953， 2443-45. 苏晓波， 纪洪广， 裴峰， 等.单轴压缩荷载下含黏结面花岗岩能 量演化研究 ［J］ .哈尔滨工业大学学报， 2018， 50 （8） 161-167 Su Xiaobo， Ji Hongguang， Pei Feng. Study on energy evolution law of defective granite specimen under uniaxial compressive loading and unloading ［J］ . Journal of Harbin Institute of Technology， 2018， 50 （8） 161-167 （责任编辑石海林） 金属矿山2019年第8期总第518期 26 ChaoXing