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岩爆机理声发射尝试研讨

宣布日期:2018-02-22 15:46    阅读次数:次

1  弁言
    岩爆是洼地应力前提下公开岩体工程开挖进程中,由于开挖卸荷引发围岩内应力场从头散布,导致贮存于硬脆性围岩中的弹性应变能俄然开释,并产生爆裂、松脱、剥离、弹射乃至投掷等粉碎景象的一种能源失稳地质灾难,它间接要挟施工职员、装备的宁静,影响工程进度,已成为天下性的公开工程困难之一。岩爆的产生和成长都有其必然的力学机制。从岩爆的影响身分阐发能够看出,岩爆粉碎有深部工程岩体本身的物理力学性子、岩体布局、所处的围岩环境(包含应力环境、机关环境、水文地质及地温环境等)等外部身分的影响,也有与深埋长隧洞工程设想、开挖施工、开采进程和远园地动等扰动有关的外部身分的引发感化。斟酌的身分差别,对岩爆粉碎力学机制的阐发与描写也差别。由于围岩岩体和岩爆粉碎影响身分的庞杂性,导致岩爆的构成机理一向未能构成同一的定论。
    岩石声发射(acoustic emission,AE)是由岩石受力时的裂纹扩大行动所引发的。差别范例的岩石具备差别的微布局特色【1】,受力时产生声发射的应力程度也差别。岩石声发射应力程度可反映岩石在加载进程中裂隙成长环境和岩石性子及受力状况对岩石粉碎特色的影响[2]。今朝,声发射普遍利用于地应气力测[3~5}、公开洞室不变性阐发、矿山压力闪现和岩爆展望。凡是,有岩爆偏向的岩石资料粉碎激烈并陪同有庞大的响声,这标明,切磋有岩爆偏向的岩石在加载进程中的声发射纪律有助于领会岩爆岩石性子。今朝对岩石单轴紧缩进程中声发射频谱特色的研讨较少,国际文【6~8】曾从能量的角度停止过近似的研讨。文[9]成立了双向紧缩前提下的声发射与岩石毁伤变量之间的干系,并得出经由进程声发射对岩爆停止展望预告是可行的论断。文[10]曾对片麻岩在三轴紧缩进程中声发射频谱特色停止研讨,以展望岩石微观粉碎的预兆。最近几年来,对三向应力状况下多种代表性岩性岩石的声发射频谱特色所停止的体系研讨,并以此对差别岩性岩石的岩爆偏向停止分类方面的研讨功效,在国际外则未见报道。本文对大批差别岩性岩石停止单轴和三轴紧缩前提下声发射尝试,研讨差别岩性岩石在差别应力状况下的岩迸产生特色,并对其岩爆偏向停止分类,以期从一个新的角度对岩爆机理停止熟悉。
2  岩爆机理声发射尝试
2.1岩石声发射尝试方式
    在综合研讨岩石试件在变形粉碎进程中的声发射特色进程中,试件制备、仪器装备和测试进程各关键对功效都有较大的影响。为加重和消弭这些影响,进步测试功效的精度,便于相互对照,接纳以下测试步骤:
(1)试件制备
    将岩块加工成矽40 minx80 mill的圆柱体,试件两头面平坦,不平行度节制在0.2 innl之内,以防止岩样在加载进程中遭到偏压构成应力调集而产生不普通声发射,影响尝试功效。别的,岩样必须拔取节理裂隙少、未风化岩石停止测试,防止风化裂隙和节理裂隙在加载进程中的很是声发射对测试功效的影响。
(2)测试体系
    尝试接纳的测试体系首要仪器装备有:①岩石三轴压力尝试机;②压力传感器;③岩石声发射频度仪;④声发射探头;⑤数字打印机;⑥静态电阻应变仪;⑦X-Y函数记实仪。
(3)测试步骤
①试件加荷两头面停止平行度处置,在纵、横2个标的目的各粘贴2片电阻应变片;
②将试件置于压力机加荷板问,并在两个端部加胶皮衬垫以消弭加荷进程中端部打仗面的磨擦和应力调集所产生的搅扰声波对测试功效的影响;
③将声发射探头安排于被测试件中部,并用橡皮筋将探头扎紧在试件上,探头与试件之间用黄油粘合剂粘合;
④毗连荷载传感器、电阻应变片和声发射仪的测线,调试全部体系并归0;
⑤启动加载体系,加荷速度普通节制在2.0~4.0 MPa/min,随岩石强度而调剂,即低强度岩石接纳低加荷速度,高强度岩石加荷速度则恰当加大;X-Y函数记实仪主动绘制应力一应变曲线;声发射频度仪和数字打印机显现记实加荷进程中岩石声发射频度。
2.2差别岩性岩石单向应力状况下的声发射特色
    差别岩性的岩石由于构成矿物差别,微裂隙的赋存特色差别,从而表现出差别的布局特色、物理力学特色和强度特色,由此构成差别岩性岩石的岩爆强度特色也截然差别,这一点已为国际外大批的岩爆研讨所证明。但岩石范例差别,在加荷进程中的声发射应力程度特色有何差别则仍须要停止对照研讨。本文选用4种差别成份及布局范例的岩石停止单轴紧缩前提下的声发射尝试研讨。
(1)  橄榄玄武岩的声发射特色
    橄榄玄武岩取白第四系火山喷出岩中,玄武岩为隐晶质布局,致密坚固,无晶内及晶间缺点,微裂纹不发育。强度高,单轴抗压强度σuc=165 MPa。颠末对该组20余个试件的尝试研讨发明,在按其单轴抗压强度分三至四级轮回加荷前提下,该类岩石在各个轮回进程中并无声发射产生,只是当所加荷载到达其抗压强度的90%以上后才调集产生大批的声发射,试样很快到达极限荷载而粉碎。该类岩石的应力一应变曲线线性杰出,曲线斜率较大,岩石变形以弹性变形为主,代表了致密高强度岩石的一种特定范例,如图1所示。图中AE为声发射频数,σ为应力,ε为应变,ε1为轴向应变,εd为横向应变,以下不异。
    这类岩石由于岩性致密,布局毗连强而又无原始缺点,受压时固然压力逐步增大,但并无声发射呈现,直至压力靠近极限荷载时才呈现微裂纹并敏捷扩大,贯穿成微观分裂,导致声发射调集,频数很大。
(2)  闪长玢岩的声发射特色
    该类岩石取自二叠系侵入岩体,首要矿物为斜长石、石英、辉石等,斜长石呈斑晶呈现,基质为隐晶质,存在少许晶内及晶间缺点和微裂纹,岩石单轴抗压强度普通为90~100 MPa,属高强度岩石。

                    图1    橄榄玄武岩声发射频数(应变)一应力曲线
    在单轴紧缩尝试前提下,其应力一应变曲线及声发射特色如图2所示。
         
                           图2  闪长玢岩声发射频数(应变)一应力曲线
    从图2可见,闪长玢岩试件在单轴紧缩加荷进程中在较低应力程度时产生少许的声发射旌旗灯号,能够为是代表了微裂纹扩大所产生的声发射;在应力到达试件极限抗压强度之前声发射旌旗灯号频密,代表了应力到达极限抗压强度前微裂纹扩大加重时的声发射特色。别的的几块试件中一样具备此特色。可见此类岩石强度较高,基质致密,具备较大矿物颗粒,在低应力状况下(小于40 MPa)难以产生藐小裂纹,不易产生声发射,在高应力状况感化下岩石外部才能够产生微裂纹,并有较着的声发射特色。
(3)  花岗岩的声发射特色
    尝试用花岗岩试件首要由石英、长石、角闪石等矿物构成,矿物颗粒相互呈镶嵌结晶毗连,颗粒之间和某些矿物颗粒外部存在着很多不定向、不持续的微开型微裂隙。岩石单轴抗压强度普通为90MPa摆布,属高强度岩石。在单轴紧缩尝试前提下,其应力一应变曲线及声发射特色如图3所示。

                      图3  花岗岩声发射频数(应变)一应力曲线
    由图3可见,在单轴紧缩尝试前提下花岗岩试件表现出初始声发射早、声发射频度高的群发性特色。这与花岗岩物资的构成和特定的布局有内涵的接洽,由于构成花岗岩的各类矿物本身强度性子的差别和各自结晶毗连的不平均性,导致此类岩石在荷载感化下的裂纹行动很是活泼,对应力感化敏感。
(4)  砂岩的声发射特色
    试样岩石范例为细砂岩或中砂岩,矿物成份以石英、长石为主,钙质、泥质胶结为其首要联络情势,岩石单轴抗压强度低到中等,细砂岩则普通在50~60 MPa摆布。拔取1—1和1—2两个试件停止尝试研讨。在单轴紧缩尝试前提下,其各自的应力一应变曲线及声发射特色如图4,5所示。
    由图4,5能够看出,虽然钙质胶结的细砂岩1-1和泥质、钙质胶结的中砂岩1-2其单轴抗压强度具备较大的差别,但两者的声发射特色却具备极强的近似性。初始声发射较早,即便在地应力状况下也有声发射产生,声发射图形具备分离、稀少的特色,频度低值较多,但在邻近粉碎时较高。比拟之下,钙质胶结强度较高的细砂岩较之泥钙质胶结强度较低的中砂岩其声发射频度偏高且较调集。

                      图4  钙质砂岩声发射频数(应变)一应力曲线

                            图5  泥质砂岩声发射频数(应变)一应力曲线
2.3 差别岩性岩石三向应力状况下的声发射特色
    今朝测定岩石的声发射特色多接纳现场取得的岩样停止室内单轴紧缩尝试。而实际岩体位于公开千米乃至几千米以下深度处,受自重应力和机关应力的结合感化处于三向应力状况。那末,按照单轴紧缩尝试所取得的岩石声发射特色点应力值是不是能代表岩石所处地位蒙受的地应力,其声发射特色纪律与三向应力状况的声发射特色纪律是不是分歧,在以往国际外的有关研讨功效中均不触及此类题目。而实际上领会三向应力状况下岩石的声发射特色对研讨围岩的岩爆特色具备更首要的实际意思。
    图6~9给出了单轴和围压状况下岩石变形粉碎进程中的声发射图象。从图中能够看出,虽然试样岩性有所差别,但其在单轴和围压前提下的岩石声发射图象极其近似,只是围压前提下比单轴紧缩前提下声发射特色点的应力程度有必然进步。这申明,岩石单轴紧缩前提下和围压前提下岩石的声发射纪律是分歧的,差别的仅是声发射特色点的应力程度。
             图6  砂岩试样1单轴与三轴声发射特色对照

                   图7  砂岩试样2单轴与三轴声发射特色对照

                                   图8  砂岩试样3单轴与三轴声发射特色对照
       
                                         图9  花岗岩三轴声发射特色
    对粉砂岩、泥质细砂岩和细砂岩3种岩性停止了测试。功效标明,差别围压状况下的声发射特色点应力值均不不异,且表现出随围压增添,声发射特色点应力程度逐步增大的变更纪律,如图10~12所示。
3  差别岩性岩石的岩爆特色范例。
    经由进程上述尝试研讨和功效阐发,各类岩性岩石在荷载感化下的声发射特色具备比拟较着的差别,按照岩石的物资构成、机关特色及其声发射特色,可将其分为4种范例:

                           图10  粉砂岩围压前提下声发射特色
     
                                 图11  泥质细砂岩围压前提下声发射特色
               
                                     图12  细砂岩围压前提下声发射特色
(1)群发型,以侵入的矿物结晶杰出、中粗粒的结晶岩为主,以花岗岩为代表。此类岩石的特色是:构成岩石的矿物强度较高,某些矿物的节理较发育:矿物相互呈镶嵌结晶毗连,在颗粒之间及其外部存在着较多的微裂纹。在荷载感化下,裂纹易于扩大,声发射调集且频数较大。此类岩石产生岩爆的强度为中等。
(2)集发型,以浅层侵入及喷发岩为主,以矿物结晶差别性大的玢岩为代表。此类岩石的矿物强度高,结晶矿物呈斑晶散布于岩石外部,基质致密,斑晶与基质间有少许微裂隙,在地应力感化下外部裂纹难以扩大,在高应力感化下裂纹才易于构成和扩大。此类岩石产生岩爆的强度较大。
(3)突发型,以喷出火山岩为主,隐晶质布局,乃至密玄武岩为其代表。该类岩石强度很高,矿物颗粒藐小且呈致密地结晶毗连,边境不清楚,岩石外部存在很少的微裂隙,即便在应力高达其抗压强度的90%以上时,外部也难以构成微裂纹。此类岩石可产生激烈的岩爆。
(4)披发型,以堆积成由于主的砂岩、砾岩等中等强度岩石为代表,气孔状玄武岩也属于此类。普通来讲此类岩石的矿物或矿物调集体强度较之其胶结物要高很多,而胶结物多以钙质、硅质、泥质为主,毗连较弱,出格是这类岩石外部孔隙较多,矿物颗粒多呈点式毗连,是以在荷载感化下岩石外部极易产生裂纹和孔隙粉碎,故对应力感化敏感。反映在声发射上是初始声发射早,频数较低的特色。此类岩石产生岩爆的强度较弱或不易产生。
4  论断
    岩爆的产生是在恰当的应力前提下岩石内微裂纹扩大、弹性应变能急剧开释的功效,而裂纹扩大进程中一直陪同着声波能量开释。是以,接纳岩石声发射测试手艺追踪岩爆的产生和成长进程,是停止岩爆机理研讨的一种迷信、有用的方式。本文接纳三向应力状况下的岩石声发射测试手艺停止岩爆机理的研讨,近似的研讨任务在国际外文献中比拟少见。
    经由进程单轴和三轴紧缩状况下的岩石力学尝试和岩石声发射尝试,研讨了差别岩性岩石别离在单轴紧缩状况下和三向应力状况下的声发射特色,研讨标明,强度差别、布局差别的差别岩性的岩石其在单向和三向应力状况下的声发射特色较着差别,大抵可分别为4种差别的范例,即群发型、集发型、突发型和披发型,据此,可将差别岩性的岩迸产生特色分别为4种范例,即激烈岩爆、较激烈岩爆、中等岩爆和较弱岩爆或岩爆不易产生。
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作者简介:杨健(1970一),男,博士后,1993年毕业于长春地质学院工程地质专业,现为高等工程师,首要处置边坡不变、公开洞室不变和地质工程方面的研讨任务。E-mail:[email protected].com。

 

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