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岩爆机理声发射试验研究

发布日期:2018-02-22 15:46    浏览次数:次

1  引言
    岩爆是高地应力条件下地下岩体工程开挖过程中,由于开挖卸荷引起围岩内应力场重新分布,导致储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放,并产生爆裂、松脱、剥离、弹射甚至抛掷等破坏现象的一种动力失稳地质灾害,它直接威胁施工人员、设备的安全,影响工程进度,已成为世界性的地下工程难题之一。岩爆的发生和发展都有其一定的力学机制。从岩爆的影响因素分析可以看出,岩爆破坏有深部工程岩体本身的物理力学性质、岩体结构、所处的围岩环境(包括应力环境、构造环境、水文地质及地温环境等)等内部因素的影响,也有与深埋长隧洞工程设计、开挖施工、开采过程以及远场地震等扰动有关的外部因素的诱发作用。考虑的因素不同,对岩爆破坏力学机制的分析与描述也不同。由于围岩岩体和岩爆破坏影响因素的复杂性,导致岩爆的形成机理一直未能形成统一的定论。
    岩石声发射(acoustic emission,AE)是由岩石受力时的裂纹扩展行为所引起的。不同类型的岩石具有不同的微结构特征【1】,受力时产生声发射的应力水平也不同。岩石声发射应力水平可反映岩石在加载过程中裂隙发展情况和岩石性质及受力状态对岩石破坏特征的影响[2]。目前,声发射广泛应用于地应力量测[3~5}、地下洞室稳定性分析、矿山压力显现和岩爆预测。通常,有岩爆倾向的岩石材料破坏强烈并伴随有巨大的响声,这表明,探讨有岩爆倾向的岩石在加载过程中的声发射规律有助于了解岩爆岩石性质。目前对岩石单轴压缩过程中声发射频谱特征的研究较少,国内文【6~8】曾从能量的角度进行过类似的研究。文[9]建立了双向压缩条件下的声发射与岩石损伤变量之间的关系,并得出通过声发射对岩爆进行预测预报是可行的结论。文[10]曾对片麻岩在三轴压缩过程中声发射频谱特征进行研究,以预测岩石宏观破坏的前兆。近年来,对于三向应力状态下多种代表性岩性岩石的声发射频谱特征所进行的系统研究,并以此对不同岩性岩石的岩爆倾向进行分类方面的研究成果,在国内外则未见报道。本文对大量不同岩性岩石进行单轴和三轴压缩条件下声发射试验,研究不同岩性岩石在不同应力状态下的岩爆发生特征,并对其岩爆倾向进行分类,以期从一个新的角度对岩爆机理进行认识。
2  岩爆机理声发射试验
2.1岩石声发射试验方法
    在综合研究岩石试件在变形破坏过程中的声发射特征过程中,试件制备、仪器配备和测试过程各环节对结果都有较大的影响。为减轻和消除这些影响,提高测试结果的精度,便于相互对比,采用如下测试步骤:
(1)试件制备
    将岩块加工成矽40 minx80 mill的圆柱体,试件两端面平整,不平行度控制在0.2 innl以内,以免岩样在加载过程中受到偏压造成应力集中而产生不正常声发射,影响试验结果。此外,岩样必须选取节理裂隙少、未风化岩石进行测试,避免风化裂隙和节理裂隙在加载过程中的异常声发射对测试结果的影响。
(2)测试系统
    试验采用的测试系统主要仪器设备有:①岩石三轴压力试验机;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动态电阻应变仪;⑦X-Y函数记录仪。
(3)测试步骤
①试件加荷两端面进行平行度处理,在纵、横2个方向各粘贴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除加荷过程中端部接触面的摩擦和应力集中所产生的干扰声波对测试结果的影响;
③将声发射探头放置于被测试件中部,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连接荷载传感器、电阻应变片和声发射仪的测线,调试整个系统并归0;
⑤启动加载系统,加荷速率一般控制在2.0~4.0 MPa/min,随岩石强度而调整,即低强度岩石采用低加荷速率,高强度岩石加荷速率则适当加大;X-Y函数记录仪自动绘制应力一应变曲线;声发射频度仪和数字打印机显示记录加荷过程中岩石声发射频度。
2.2不同岩性岩石单向应力状态下的声发射特性
    不同岩性的岩石由于组成矿物不同,微裂隙的赋存特征不同,从而表现出不同的结构特征、物理力学特性和强度特性,由此造成不同岩性岩石的岩爆强度特征也截然不同,这一点已为国内外大量的岩爆研究所证实。但岩石类型不同,在加荷过程中的声发射应力水平特征有何差异则仍需要进行对比研究。本文选用4种不同成分及结构类型的岩石进行单轴压缩条件下的声发射试验研究。
(1)  橄榄玄武岩的声发射特征
    橄榄玄武岩取白第四系火山喷出岩中,玄武岩为隐晶质结构,致密坚硬,无晶内及晶间缺陷,微裂纹不发育。强度高,单轴抗压强度σuc=165 MPa。经过对该组20余个试件的试验研究发现,在按其单轴抗压强度分三至四级循环加荷条件下,该类岩石在各个循环过程中并无声发射产生,只是当所加荷载达到其抗压强度的90%以上后才集中产生大量的声发射,试样很快达到极限荷载而破坏。该类岩石的应力一应变曲线线性良好,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类型,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,以下相同。
    这类岩石由于岩性致密,结构连接强而又无原始缺陷,受压时虽然压力逐渐增大,但并无声发射出现,直至压力接近极限荷载时才出现微裂纹并迅速扩展,贯通成宏观破裂,导致声发射集中,频数很大。
(2)  闪长玢岩的声发射特征
    该类岩石取自二叠系侵入岩体,主要矿物为斜长石、石英、辉石等,斜长石呈斑晶出现,基质为隐晶质,存在少量晶内及晶间缺陷和微裂纹,岩石单轴抗压强度一般为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
    在单轴压缩试验条件下,其应力一应变曲线及声发射特征如图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压缩加荷过程中在较低应力水平时产生少量的声发射信号,可认为是代表了微裂纹扩展所产生的声发射;在应力达到试件极限抗压强度之前声发射信号频密,代表了应力达到极限抗压强度前微裂纹扩展加剧时的声发射特征。另外的几块试件中同样具有此特征。可见此类岩石强度较高,基质致密,具有较大矿物颗粒,在低应力状态下(小于40 MPa)难以产生微小裂纹,不易产生声发射,在高应力状态作用下岩石内部才可以产生微裂纹,并有明显的声发射特征。
(3)  花岗岩的声发射特征
    试验用花岗岩试件主要由石英、长石、角闪石等矿物组成,矿物颗粒彼此呈镶嵌结晶连接,颗粒之间和某些矿物颗粒内部存在着许多不定向、不连续的微开型微裂隙。岩石单轴抗压强度一般为90MPa左右,属高强度岩石。在单轴压缩试验条件下,其应力一应变曲线及声发射特征如图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,在单轴压缩试验条件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征。这与花岗岩物质的组成和特定的结构有内在的联系,由于组成花岗岩的各类矿物自身强度性质的差异和各自结晶连接的不均匀性,致使此类岩石在荷载作用下的裂纹行为非常活跃,对应力作用敏感。
(4)  砂岩的声发射特征
    试样岩石类型为细砂岩或中砂岩,矿物成分以石英、长石为主,钙质、泥质胶结为其主要联结形式,岩石单轴抗压强度低到中等,细砂岩则一般在50~60 MPa左右。选取1—1和1—2两个试件进行试验研究。在单轴压缩试验条件下,其各自的应力一应变曲线及声发射特征如图4,5所示。
    由图4,5可以看出,尽管钙质胶结的细砂岩1-1和泥质、钙质胶结的中砂岩1-2其单轴抗压强度具有较大的差异,但二者的声发射特征却具有极强的相似性。初始声发射较早,即使在地应力状态下也有声发射产生,声发射图形具有分散、稀疏的特点,频度低值较多,但在临近破坏时较高。相比之下,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集中。

                      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 不同岩性岩石三向应力状态下的声发射特性
    目前测定岩石的声发射特征多采用现场获取的岩样进行室内单轴压缩试验。而实际岩体位于地下千米甚至几千米以下深度处,受自重应力和构造应力的联合作用处于三向应力状态。那么,根据单轴压缩试验所获得的岩石声发射特征点应力值是否能代表岩石所处位置承受的地应力,其声发射特征规律与三向应力状态的声发射特征规律是否一致,在以往国内外的有关研究成果中均没有涉及此类问题。而事实上了解三向应力状态下岩石的声发射特征对于研究围岩的岩爆特性具有更重要的现实意义。
    图6~9给出了单轴和围压状态下岩石变形破坏过程中的声发射图像。从图中可以看出,尽管试样岩性有所不同,但其在单轴和围压条件下的岩石声发射图像极为相似,只是围压条件下比单轴压缩条件下声发射特征点的应力水平有一定提高。这说明,岩石单轴压缩条件下和围压条件下岩石的声发射规律是一致的,不同的仅是声发射特征点的应力水平。
             图6  砂岩试样1单轴与三轴声发射特征对比

                   图7  砂岩试样2单轴与三轴声发射特征对比

                                   图8  砂岩试样3单轴与三轴声发射特征对比
       
                                         图9  花岗岩三轴声发射特征
    对粉砂岩、泥质细砂岩和细砂岩3种岩性进行了测试。结果表明,不同围压状态下的声发射特征点应力值均不相同,且表现出随围压增加,声发射特征点应力水平逐渐增大的变化规律,如图10~12所示。
3  不同岩性岩石的岩爆特征类型。
    通过上述试验研究和结果分析,各种岩性岩石在荷载作用下的声发射特征具有比较明显的差异,根据岩石的物质组成、构造特点及其声发射特征,可将其分为4种类型:

                           图10  粉砂岩围压条件下声发射特征
     
                                 图11  泥质细砂岩围压条件下声发射特征
               
                                     图12  细砂岩围压条件下声发射特征
(1)群发型,以侵入的矿物结晶良好、中粗粒的结晶岩为主,以花岗岩为代表。此类岩石的特点是:组成岩石的矿物强度较高,某些矿物的节理较发育:矿物彼此呈镶嵌结晶连接,在颗粒之间及其内部存在着较多的微裂纹。在荷载作用下,裂纹易于扩展,声发射集中且频数较大。此类岩石发生岩爆的强度为中等。
(2)集发型,以浅层侵入及喷发岩为主,以矿物结晶差异性大的玢岩为代表。此类岩石的矿物强度高,结晶矿物呈斑晶分布于岩石内部,基质致密,斑晶与基质间有少量微裂隙,在地应力作用下内部裂纹难以扩展,在高应力作用下裂纹才易于形成和扩展。此类岩石发生岩爆的强度较大。
(3)突发型,以喷出火山岩为主,隐晶质结构,以致密玄武岩为其代表。该类岩石强度很高,矿物颗粒细小且呈致密地结晶连接,边界不清晰,岩石内部存在很少的微裂隙,即使在应力高达其抗压强度的90%以上时,内部也难以形成微裂纹。此类岩石可发生强烈的岩爆。
(4)散发型,以沉积成因为主的砂岩、砾岩等中等强度岩石为代表,气孔状玄武岩也属于此类。一般来说此类岩石的矿物或矿物集合体强度较之其胶结物要高得多,而胶结物多以钙质、硅质、泥质为主,连接较弱,特别是这类岩石内部孔隙较多,矿物颗粒多呈点式连接,因而在荷载作用下岩石内部极易产生裂纹和孔隙破坏,故对应力作用敏感。反应在声发射上是初始声发射早,频数较低的特征。此类岩石发生岩爆的强度较弱或不易发生。
4  结论
    岩爆的产生是在适当的应力条件下岩石内微裂纹扩展、弹性应变能急剧释放的结果,而裂纹扩展过程中始终伴随着声波能量释放。因此,采用岩石声发射测试技术追踪岩爆的产生和发展过程,是进行岩爆机理研究的一种科学、有效的方法。本文采用三向应力状态下的岩石声发射测试技术进行岩爆机理的研究,类似的研究工作在国内外文献中比较少见。
    通过单轴和三轴压缩状态下的岩石力学试验和岩石声发射试验,研究了不同岩性岩石分别在单轴压缩状态下和三向应力状态下的声发射特征,研究表明,强度不同、结构差异的不同岩性的岩石其在单向和三向应力状态下的声发射特性明显不同,大致可划分为4种不同的类型,即群发型、集发型、突发型和散发型,据此,可将不同岩性的岩爆发生特征划分为4种类型,即强烈岩爆、较强烈岩爆、中等岩爆和较弱岩爆或岩爆不易发生。
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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,现为高级工程师,主要从事边坡稳定、地下洞室稳定和地质工程方面的研究工作。E-mail:[email protected].com。

 

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