热损伤砂岩力学特性与声发射试验研究_李凌峰.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 热损伤砂岩力学特性与声发射试验研究 李凌峰 １， 雷瑞德２ （１．中航勘察设计研究院有限公司， 北京 １０００９８； ２．重庆大学 资源及环境科学学院， 重庆 ４０００４４） 摘要为探讨不同温度作用下砂岩热损伤力学特性与声发射演化规律， 借助 ＭＴＳ８１５ 岩石力学 伺服试验机配套声发射仪对砂岩开展不同温度下的试验 （２５、 １００、 ２００、 ４００、 ６００、 ８００、 １ ０００ ℃） 。 结果表明砂岩表观形态与体积发生变化的临界温度为 ４００ ℃；脆延性转化的临界温度为 ６００ ℃； 弹性模量呈现出先增加后降低的变化趋势， 相反， 孔隙度的演化规律为先降低后增加； 初始 加载至屈服阶段， 声发射计数呈零星状态分布； 屈服阶段至加载结束， 声发射计数密度急剧增 加； 基于声发射累积计数定义的损伤变量能够较好地表征整个损伤演化过程， 并结合有效介质 理论和裂纹闭合模型得到了理论的应力－应变曲线。 关键词砂岩； 热损伤； 声发射； 有效介质理论； 裂纹闭合模型 中图分类号TD315文献标志码A文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０５－0072-06 Experimental Study on Mechanical Properties and AE of Thermally Damaged Sandstone LI Lingfeng1, LEI Ruide2 （1.AVIC Institute of Geotechnical Engineering Co., Ltd., Beijing 100098, China;2.College of Resources and Environmental Science, Chongqing University, Chongqing 400044, China） Abstract To investigate the mechanical properties and acoustic emission of thermally damaged sandstone under different temperatures, using MTS815 rock mechanics servo testing machine and acoustic emission to carry out various tests of sandstone at different temperatures （25 C, 100 C, 200 C, 400 C, 600 C, 800 C and 1 000 C） . The results show that the critical temperature of the surface morphology and volume change of sandstone is 400 C. The temperature of brittle ductile transition of sandstone is 600 C. The elastic modulus of sandstone increased first and then decreased. On the contrary, the porosity of sandstone decreased first and then increased gradually. From the initial to yield loading stage, the acoustic emission events distributed in a sporadic state. However, the event density of acoustic emission increased sharply from the yielding to the final loading stage. The damage variable defined by the cumulative acoustic emission counts which can better characterize the entire process of damage evolution. Based on the effective medium theory and crack closure model, the theoretical stress-strain curve of sandstone is obtained. Key words sandstone; thermal damage; acoustic emission; effective medium theory; crack closure model 随着资源开采深度以及深地工程的增加，深部 岩体将遭受复杂的地质构造作用，使得深部岩体在 施工过程中将面临高温问题。高温作用下岩石的强 度与变形特性对比常温状态下有较大的区别[1-3]。因 此，研究热损伤砂岩的物理力学特性对煤炭地下气 化、干热岩开发利用和核废料处置等起到了非常重 要的作用。文献[4-7]研究了砂岩的宏观力学及微观 结构演化规律，发现延晶和穿晶裂纹的产生是岩石 强度劣化的主要因素，但劣化的本质主要为热-力 耦合作用。明杏芬和明晓东[8]研究了不同围压下热 损伤砂岩的物理力学特性，发现黏聚力随着温度增 加而减小，内摩擦角随温度变化呈对数关系。文献 [9]对高温作用下石灰岩的强度特征进行研究， 当温 度低于 400 ℃时， 其力学强度变化很小， 但当温度大 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.014 李凌峰， 雷瑞德．热损伤砂岩力学特性与声发射试验研究 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０２０， ５１ （５） 72-77. LI Lingfeng, LEI Ruide. Experimental Study on Mechanical Properties and AE of Thermally Damaged Sand－ stone［J］Safety in Coal Mines, 2020, 51 （5） 72-77. 移动扫码阅读 72 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 于 800 ℃时， 峰值强度出现明显变化。 文献 ［10］ 基于 声发射累积计数方法定义的损伤变量仅对不同围压 下岩石的损伤演化规律进行分析，而未对其本构模 型展开研究。 此外， 郭清露等[11]同样基于声发射累积 计数方法定义了大理岩的损伤变量，并根据该损伤 变量构建了本构模型。 在上述研究中， 大多数研究者 主要借助宏观及微观试验现象进行分析，而对热损 伤砂岩理论方面的研究较欠缺。 因此， 在分析试验结 果的基础上， 借助 MATLAB 编程， 得到声发射计数 与应变之间的一一对应关系，进而基于声发射计数 构建了不同温度作用下砂岩的损伤变量，并结合现 有的理论模型， 对热损伤砂岩的演化规律进行分析， 进一步加深理解不同温度作用下砂岩热损伤物理力 学特性。 1试验方法 1.1样品准备 试验岩样取自重庆缙云山隧道，从施工现场取 下 1 块完整砂岩， 打包运至岩样加工室， 按照国际岩 石力学测试标准对岩样进行切割、钻取及磨平等工 序[12]。该岩样自然状态下呈青灰色， 颗粒直径在 0.25～0.35 mm 之间，单轴抗压强度为 57.6 MPa， 泊 松比为 0.24， 平均密度为 2.41 g/cm3， 纵波波速则为 3 240 m/s， 孔隙度为 7.4。该砂岩的矿物成分主要 有石英、 斜长石、 方解石及黏土矿物等， 对应的含量 分别为 50.2、 17.6、 25.3、 6.9。砂岩显微薄片 单偏光示意图如图 1。 1.2试验方案 首先，对加工完成的砂岩样品放至型号为 FR- 1236 的马弗炉内进行热处理，该炉体尺寸为 540 mm550 mm415 mm， 电源类型为 AC 220 V/10 A， 加热体采用电阻丝。加热速率为 5 ℃/min， 加热至目 标温度后， 在炉子内保持目标温度 3 h， 使其充分受 热。然后关闭炉子， 冷却至常温取出， 进行物理力学 参数测试。 1.3试验装置 借助 MTS815-03 岩石力学伺服试验机， 该试验 系统主要由加载框架、 加载程序及数据获取程序组 成， 最大轴向加载能力为 2 600 kN。试验过程中加 载方式采用轴向位移控制，试验加载速率为 0.05 mm/min。另外， 加载过程中配套美国物理声学公司 生产的 DISP 系列 12 通道 PCI-2 全自动声发射仪。 为消除实验过程中噪音的影响， 声发射门槛值为 40 dB， 前置放大器增益为 40 dB， 数据采集频率为 10 kHz～2 MHz。 2 热损伤砂岩物理力学特性 2.1 热处理后砂岩表观形态及破坏模式 砂岩经过热处理后，岩样内部含铁元素的矿物 发生化学变化，从而导致岩样的表观形态产生变化。 不同温度作用下砂岩表观形态及破裂模式如图 2。 从图 2 可以看出， 当热处理温度小于 400 ℃时， 试样的表观形态未发生变化。但当热处理温度大于 400 ℃时， 试样表观形态出现暗褐色， 随着温度进一 步增加， 试样表观形态逐渐变为棕红色。 岩样颜色发 生变化的临界温度为 400 ℃。 此外， 从砂岩破坏模式 角度分析， 当温度小于 600 ℃时， 岩样的破坏模式与 常温下单轴加载一致，主要发生剪切及轴向劈裂破 坏。 但当温度大于 600 ℃时， 岩样的破坏模式较常温 不同， 该现象的主要原因为高温作用后， 岩样内部颗 粒之间的黏聚力受到不同程度的损伤。 图1砂岩显微薄片单偏光示意图 Fig.1Single polarized light diagram of sandstone microsheet 图2砂岩表观形态示意图 Fig.2Apparent morphology of sandstone 73 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图3不同温度作用后砂岩质量和体积变化量示意图 Fig.3Variation of sandstone mass and volume after different temperatures 图5轴向应力-应变曲线 Fig.5Axial stress-strain curves 2.2不同温度作用下砂岩质量和体积的变化规律 不同温度作用后砂岩质量和体积变化量如 图 3。 从图 3 得知，砂岩质量变化量呈现出 2 阶段的 变化趋势，即快速降低与缓慢降低。当热处理温度 由常温增至 200 ℃时，砂岩质量的减少主要是由矿 物颗粒内部自由水和结合水的蒸发所产生，此阶段 质量变化速率较快。当岩样内水分完全蒸发，温度 由 400 ℃增至最大目标温度时，岩样内出现无机物 的降解或分解，但该阶段质量的降低相对于水分蒸 发来说较少， 因此， 该阶段砂岩质量变化量较缓。 与质量变化量相反，砂岩体积变化量呈现出缓 慢增加与急剧增加趋势。当热处理温度由常温增至 400 ℃时，岩样体积变化量几乎为 0。当温度大于 400 ℃时， 岩样体积出现了明显增加， 该现象的主要 原因为砂岩受热处理后矿物颗粒之间产生热膨胀作 用力， 从而导致试样体积明显增加。 2.3不同温度下砂岩弹性模量和孔隙度变化规律 不同温度作用下砂岩弹性模量和孔隙度的演化 规律如图 4。 从图 4 可以看出，砂岩弹性模量呈现先增加后 降低的变化规律。当热处理温度由常温增至 200 ℃ 时，砂岩弹性模量达到最大值，该现象的主要原因 为热处理温度较低时，矿物颗粒之间产生相互作用， 使得矿物颗粒之间的密实度增大，从而导致弹性模 量增加。但随着热处理温度进一步增加，岩样内矿 物颗粒之间的损伤逐渐增大，使得岩样的劣化程度 逐渐变大， 从而导致砂岩的弹性模量逐渐降低。 此外， 砂岩孔隙度演化规律与弹性模量相反， 砂 岩孔隙度呈现出先降低后增加的变化趋势。当热处 理温度由常温增至 200 ℃时， 孔隙度缓慢降低。 当热 处理温度由 200 ℃增至 1 000 ℃时，孔隙度出现缓 慢增加。该现象可解释为当热处理温度较低时， 矿 物颗粒之间仅发生物理变化。当热处理温度较高 时，岩样内无机物发生降解或分解，导致矿物晶内 或晶间出现贯通， 从而导致砂岩孔隙度缓慢增加。 2.4不同温度作用下砂岩应力-应变曲线 不同温度作用下轴向应力-应变曲线如图 5。 由图 5 得知， 当温度由常温增至 200 ℃时， 砂岩 单轴抗压强度逐渐增加。 当处理温度为 200 ℃时， 单 轴抗压强度达到最大，随着热处理温度的进一步增 加，峰值强度出现一定程度的降低。当热处理温度 为 100、 200、 400 ℃时，对应的峰值轴向应变分别为 4.6110-3、 4.6510-3、 4.6510-3，但当热处理温度为 600 ℃时， 峰值轴向应变为 7.4410-3， 较低温时平 均轴向应变增加了 1.6 倍。 因此， 从峰值轴向应变的 演化规律可知，砂岩发生脆-延性转变的临界温度 为 600 ℃。需要特别说明的是 400 ℃岩样峰值强度 较 600 ℃和 800 ℃时偏低，该现象的原因可能是由 图4不同温度作用后砂岩弹性模量和孔隙度演化曲线 Fig.4Evolution curves of elastic modulus and porosity of sandstone at different temperatures 74 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 于试样本身造成的， 另外， 从应力-应变曲线出现多 个折点也可说明此原因，可推断该岩样未到达峰值 强度就发生了局部破坏，从而导致砂岩的峰值强度 降低。 3热损伤砂岩声发射特征 不同温度作用下砂岩轴向应力-时间与声发射 计数-时间演化特征如图 6。 图6不同温度作用下砂岩轴向应力与声发射计数演化曲线 Fig.6Axial stress and acoustic emission count evolution curves of sandstone under different temperatures 由图 6 可知，根据轴向应力-时间与声发射计 数-时间关系曲线可以将整个加载分为 4 个阶段。 即 0a 对应阶段Ⅰ、 ab 对应阶段Ⅱ、 bc 对应阶段Ⅲ和 cd 对应阶段Ⅳ。总体来说， 前 2 个阶段砂岩的声发 射事件呈零散分布，第 2 阶段少数试样甚至没有捕 捉到声发射事件。 但当岩样进入第 3 阶段后， 声发射 事件密度开始逐渐增加。 加载进入第 4 阶段时， 声发 射事件密度急剧增加， 该现象持续至加载结束。 4热损伤砂岩的演化规律及本构模型 4.1损伤变量 基于文献[13]定义的损伤变量如式 （1） 。 D＝D０ Cs Ct ＝１－ σr σp “ Cs Ct （1 ） 式中 D 为损伤变量； Cs为加载过程中各个阶段 的累积声发射计数； Ct为整个加载过程中的声发射 累积计数； σr为残余应力； σp为峰值应力。 通常情况下， 脆性岩石 （砂岩、 花岗岩、 页岩和大 理岩等） 在单轴加载作用下很难捕捉到残余应力， 因 此， 对式 （1） 进行适当的修正， 不考虑 D０的影响， 修 正后的损伤变量如式 （2 ） 。 D＝ Cs Ct （2） 众所周知，声发射事件的采集频率是根据岩样 内裂纹扩展变化而变化的，而应力-应变数据的获 取是根据确定时间间隔。 所以， 很难找到 2 个采集系 统完全一一对应的关系，并且整个加载过程数据量 较大， 因此， 需借助 Matlab 编程将时间作为中间变 量， 将 2 个采集系统的时间差缩小至 0.001 s。最终 获得应力-应变与声发射事件之间的一一对应关 75 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 表1不同温度作用下参数拟合结果 Table 1Fitting results of parameters under various temperatures 温度/℃εc/10-4abR2 253.880.003 8140.560.999 1007.300.002 3612.660.986 2006.400.002 5717.310.996 4009.970.002 7311.120.987 60022.180.005 0613.300.997 80026.020.009 0327.990.993 1 00031.120.009 6913.740.999 系。不同温度作用下砂岩损伤变量-轴向应变的演 化规律如图 7。 从图 7 可以明显看出，不同温度作用下砂岩损 伤变量随轴向应变的演化规律近似为指数增加， 当 热处理温度较低时，岩样发生脆性破坏，屈服阶段 前的损伤几乎为 0。 但当岩样进入屈服阶段后， 损伤 变量逐渐增加，岩样接近破坏时，损伤变量迅速增 至 1。另外， 从图中还可得知， 损伤变量随轴向应变 的演化规律与声发射累积计数随时间的演化相似。 4.2裂纹闭合模型 基于有效基质理论[11]， 应力-应变曲线可以分为 裂纹闭合阶段和基质阶段 2 部分，裂纹闭合阶段的 表达式如式 （3） 。 ε＝εm＋εc（3） 式中 εc为裂纹轴向应变； εm为基质轴向应变。 εm＝σ Ｅ （4） 式中 σ 为轴向应力； E 为弹性模量。 εc＝ａ １－ｅｘｐ （－ σ ｂ ） （5） 式中 σ 为轴向应力； a、 b 为拟合常数。 不同温度作用下砂岩裂纹闭合阶段理论模型与 试验曲线对比如图 8。 由图 8 可知， 在初始压密阶段， 由于岩样内存在 有大量的空洞、裂隙以及热损伤产生微裂纹等缺 陷。因此， 该阶段的应力-应变呈现出明显的非线性 特性。整体上来看，采用负指数模型能够很好的对 该非线性阶段进行定量表征。结果表明，裂纹闭合 模型与试验值吻合较好，说明该负指数模型具有一 定的适用性。 基于式 （5 ） 拟合得到的参数 a 和 b 随温度变化 的演化规律见表 1。 由表 1 可知， 除常温工况外， 参数 a 近似呈逐渐 增加的变化趋势，参数 b 没有一定的变化规律。另 外， 从拟合相关性系数得知， 该模型拟合效果较好。 4.3模型验证 基于式 （1 ） ～式 （5） ， 整个加载过程的应力-应变 本构模型可表示为 εσ E a1-exp （－ σ ｂ ） 当 ε≤ε０ σ＝ （１－Ｄ） E （ε－εｃ）当 ε＞ε０ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ （6） 式中 ε0为裂隙闭合阶段与线弹性阶段临界应 变点； σ 为轴向应力； E 为弹性模量； D 为损伤变量； a、 b 为拟合参数。 不同温度作用下整个加载阶段砂岩应力-应变 理论结果与试验曲线如图 9。 从图 9 可以看出，虽然理论模型曲线出现了连 接点处不连续和屈服后强度降低等特征，但该模型 也能反映热损伤砂岩全应力-应变曲线的不同加载 阶段， 此外， 该理论模型与试验结果吻合度较高， 说明 该模型对砂岩的热损伤演化具有一定的指导意义。 图7不同温度作用下砂岩损伤变量-轴向应变演化曲线 Fig.7Damagevariable -axialstrainevolutioncurvesof sandstone under different temperatures 图8裂纹闭合阶段理论模型与试验对比示意图 Fig.8Comparison between theoretical model and test at crack closure stage 76 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 5结论 1） 随着温度的增加， 砂岩弹性模量呈现先增加 后降低的变化趋势；孔隙度呈现先降低后增加的演 化规律。 2 ） 当热处理温度低于 400 ℃时， 岩样表观形态 未发生变化， 当温度大于 400 ℃时， 岩样表观形态由 暗褐色逐渐变为红棕色。此外，热处理温度大于 600 ℃时， 岩样的破坏模式较低温时不同。 3） 初始加载至屈服阶段， 声发射事件呈零散分 布， 当岩样进入屈服阶段后， 声发射事件密度开始逐 渐增加。加载至峰值阶段后，声发射事件密度急剧 增加。 4） 将时间作为中间变量， 借助 Matlab 编程建立 损伤变量与轴向应变之间的一一对应关系。结合有 效介质理论和裂纹闭合模型得到砂岩全应力-应变 曲线。通过理论模型与试验结果对比，发现理论曲 线与试验结果吻合度较高，说明该模型具有一定的 指导意义。 参考文献 ［1］ Sun Qiang, Lu Chao, Cao Liwen, et al. 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