北山花岗岩张拉力学性质及声发射特征研究

2022-02-23王超圣刘建锋赵耀威

金属矿山 2022年1期

王超圣刘建锋赵耀威王举

(1.河南科技大学土木工程学院河南洛阳 471000;2.四川大学水利水电学院四川成都 610065)

巷道失稳、顶板坍塌、冲击地压、矿震等是采矿过程中经常遇到的工程灾害,这些灾害不仅影响开采进度,造成经济损失,更为严重的是时常造成人员伤亡。大量的现场监测表明这些灾害的启动应力远小于围岩的压缩强度。岩石的张拉特性明显劣于压缩特性,常见脆性岩石的抗拉强度仅为单轴抗压强度的十几分之一到二十几分之一。虽然在工程实践中一般不允许拉应力出现,但拉伸破坏仍然是工程岩体及自然界岩体的主要破坏形式之一。很多深埋于脆性岩体中的地下工程破坏是由岩石张拉特性控制[1-4],因此,张拉力学性质被认为是脆性岩石最主要的力学性质之一,也是国内外学者研究的热点之一。

直接拉伸试验和巴西劈裂试验是常用的两种研究岩石张拉力学性质的试验方法,但两种方法得到的岩石张拉力学性质往往具有一定的差异,如COVIELLO等[5]认为直接拉伸试验的强度高于巴西劈裂试验的强度,FUENKAJORN等[6]认为直接拉伸试验的强度低于巴西劈裂试验的强度,LI等[7]则认为直接拉伸试验的强度与巴西劈裂试验的强度相差不大,PERRAS等[8]和ANDREEV等[9]认为两种试验结果的差异性与岩石的组成相关。直接拉伸试验仅在拉应力作用下破坏,试件受力简单明确,因此认为张拉试验结果反映了岩石的真实抗拉性质。但直接拉伸试验具有设备要求高、成功率低、费用高等不足,不利于在工程实践中大量应用。巴西劈裂试验具有设备简单、成功率高、费用低等优点,有利于在工程实践中大量使用,但由于该试验模型被理想化,很多假设与实际情况不符,因此试验结果往往需要进行修正。

巴西劈裂试验成功的关键是破裂起始于圆盘的中心,并逐渐扩展到加载的端部,最终形成破裂面。因此试件内部应力的分布状态和裂隙扩展过程是巴西劈裂试验研究的热点之一,如吴顺川等[10]基于巴西劈裂试验及数值模拟分析了试件内部应力分布状态、启裂位置以及试件尺寸对力学性质的影响;LI等[7]采用FLAC3D研究了巴西圆盘的应力分布特点,进一步提出判断启裂位置的方法;YU等[11]、ALIHA等[12]采用三维有限元模拟研究了厚径比对巴西圆盘应力分布的影响,并对巴西劈裂试验结果进行了修正;黄耀光等[13]基于二维弹性理论,建立了对弦载荷下的平台巴西劈裂力学模型;尤明庆等[14]研究了平台中心角对应力分布和启裂位置的影响。但目前关于试件破裂过程的研究多采用应力应变分析或数值模拟等间接手段进行分析,缺少对内部破裂形式和破坏过程的直接研究。

甘肃北山是我国高放射性废物处置库的重要预选区,将建成我国第一个高放射性废物地下实验室,该地区岩性以花岗岩为主。高放射性废物地下实验室主体埋深550 m左右,具有硐室断面大、硐室交叉多、局部地应力高的特点。在硐室交叉部位、拱顶等部位易发生破坏。为了保证地下实验室的工程安全,开展北山花岗岩张拉力学性质及声发射特征的研究十分必要。如满轲等[15]通过Hopkinson试验研究了赋存深度对新疆天湖花岗岩动态拉伸力学特性的影响;王超圣等[16]基于声发射研究了岩石破坏过程中内部破裂的演化形式;李天一等[17]通过声发射事件的时空演化特征研究了直接拉伸试验试件的破坏过程。现阶段虽然对北山花岗岩开展了大量研究,但对巴西劈裂试验强度与直接拉伸试验强度的关系研究较少,对巴西劈裂试验裂纹的形式、启裂位置、扩展过程的研究有待深入。

本研究通过巴西劈裂试验、直接拉伸试验以及三轴压缩试验开展北山花岗岩的基本力学性质研究,试验过程中检测声发射事件,对比分析巴西劈裂试验和直接拉伸试验下的岩石力学性质差异,基于声发射特征分析不同试验方式下北山花岗岩的破坏特征,并进一步开展巴西劈裂试件内部的破裂形式及其演化过程研究。

1 试验方案与设备

1.1 试件制备

本研究试样均取自我国高放射性废物处置库甘肃北山预选区,按照试验要求的精度和尺寸加工试件。其中,巴西劈裂试验的试件尺寸为直径63 mm×高度38 mm,直接拉伸和压缩试验的试件尺寸为直径50 mm×高度100 mm,直接拉伸试件通过高强黏结剂与拉伸专用端头黏结在一起(图1)。

图1 试验试件Fig.1 Specimens for tests

1.2 实验设备与方案

本研究试验均使用美国生产的MTS815 Flex Test GT岩石力学实验系统(图2),试验过程中使用美国物理声学公司生产的PCI-2声发射检测系统实时记录岩石破坏过程中的声发射事件,声发射传感器的采集频率为200 kHz,采样的门槛值设置为26 dB。试验开始时,将声发射检测系统与加载设备同时开启,保证两个设备以同一时间开始记录相应的声发射和力学参数。试验过程中使用引伸计测量试件的轴向和环向变形。

图2 MTS 815 Flex Test GT岩石力学实验系统Fig.2 MTS 815 Flex Test GT Rock mechanics test system

三轴压缩试验采用轴向荷载和环向变形联合控制加载,试验过程中先以30 kN/min施加轴向力,当体积应变出现回转时停止轴向荷载控制,改为环形变形控制,加载速率为0.02 mm/min,直至试件破坏。根据北山预选区的应力特征及地下实验室埋深,围压设置为 5、10、15、30 MPa,对应试件的编号分别为3-2、3-3、3-4、3-5。直接拉伸试验使用轴向引伸计控制加载,加载速率为0.005 mm/min,直至破坏。巴西劈裂试验沿圆柱的直径方向施加线荷载,采用引伸计控制加载,加载速率为0.05 mm/min,直至破坏。

2 试验结果与分析

2.1 基本力学性质研究

不同试验方式下的试验结果如表1和图3所示(试件8-1的应变测试失败)。图3中巴西劈裂试验的轴向压缩应变为两加载点之间的变形量与试件直径的比值,以压应变为正;直接拉伸试验的应变以拉伸为正;三轴压缩试验的应变以压缩为正,拉伸为负。巴西劈裂试验和直接拉伸试验下试件的平均强度分别为5.43 MPa和6.67 MPa,直接拉伸试验的强度明显大于巴西劈裂试验的强度。北山花岗岩压缩强度相对较高,且随着围压增加,强度明显升高,围压从5 MPa升高到30 MPa,峰值应力从166.62 MPa升高到328.65 MPa。巴西劈裂试件在达到峰值后突然失去承载力发生破坏,呈现明显的脆性破坏特征,而直接拉伸试验和三轴压缩试验试件均呈现一定的塑性破坏特征,其中三轴压缩试验的塑性破坏特征更加明显。巴西劈裂试件的峰值应变约为6.84‰,直接拉伸试件的峰值应变约为 0.29‰,围压 5、10、15、30 MPa试件对应的峰值轴向应变分别为1.06%、1.25%、1.43%和1.84%,压缩试验破坏的峰值应变明显大于直接拉伸试验破坏的峰值应变。

图3 不同试验下北山花岗岩应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of Beishan granite under different tests

表1 3种试验方法的试验结果Table 1 Test results of three test methods

张拉试验破坏后的部分试件如图4所示,巴西劈裂试件的破坏面贯穿两个加载点,整体上沿着加载面发生破坏,但破坏面比较粗糙。直接拉伸试件的破坏面垂直于试件轴心,且破裂断面较为平整。

图4 张拉试验破坏后试件Fig.4 Specimens destroyed by tensile test

直接拉伸试验强度约为巴西劈裂试验强度的1.23倍,这主要是由于巴西劈裂将试件简化为平面模型,认为在试件高度方向上应力状态不发生变化。但大量研究表明,该假设与试件的真实应力状态不符。YU等[11]、ALIHA等[12]研究发现,试件在两端截面的受力明显大于试件中心截面的受力。北山花岗岩的物理力学参数与ALIHA等[12]研究的岩石物理力学参数十分相似,因此采用其研究结果对巴西劈裂试验强度进行修正,修正公式为

式中,σT为巴西劈裂试验修正强度,MPa;k为试件高度与直径的比值;P为试验最大加载力,N;d为试件直径,mm;t为试件厚度,mm。

根据式(1)计算,巴西劈裂试验修正后的强度为6.29 MPa,与直接拉伸试验强度十分接近。

2.2 声发射特征研究

声发射事件数是声发射信号的一个重要特征,反映了岩石内部裂隙的产生和扩展过程。不同受力状态下声发射事件数均随着应力增加而增加(图5)。巴西劈裂试件在加载初期声发射试件数增加比较明显,当应力达到峰值应力的70%时,声发射事件数增加速度突然降低,之后缓慢增加,达到峰值应力时,声发射事件停止增加。与巴西劈裂试件不同,直接拉伸试验和三轴压缩试验的试件在加载初期声发射事件增加比较缓慢,而在峰值应力前后声发射事件增加速度较快。

图5 应力—应变—累积声发射事件数关系曲线Fig.5 Relation curves of stress-strain-accumulattion acoustic emission events

振幅和频率是声发射两个比较重要的特征参数,不同试验方式下的声发射振幅和频率分布如图6和图7所示。所有试件的声发射振幅主要分布在26～60 dB范围,约占总声发射事件数的97%以上。直接拉伸试验和巴西劈裂试验中高振幅声发射事件略大于三轴试验;巴西劈裂试验和直接拉伸试验声发射事件的频率明显大于三轴压缩试验。其中三轴压缩试验95%以上的声发射事件的频率分布在0～80 kHz,直接拉伸试验和巴西劈裂试验的声发射事件频率主要集中在0～160 kHz,约占总事件数的90%。整体上,巴西劈裂试验声发射事件频率大于直接拉伸试验的声发射事件频率。

图6 不同试验方式下的振幅分布Fig.6 Amplitude distribution under different tests

图7 不同试验方式下的频率分布Fig.7 Frequency distribution under different tests

2.3 巴西劈裂试验试件破坏过程

从频率或振幅的单因素分析,巴西劈裂试验的声发射事件与直接拉伸试验声发射事件的特征更相似,但无论是频率还是振幅,不同的试验在分布上仍有很多重复部分,只是所占比例不同。因此基于单因素无法准确判断巴西劈裂试验的破裂模式。为了分析巴西劈裂试验的破坏模式和破坏过程,采用监督学习方法,根据声发射事件特征建立直接拉伸试验、围压5 MPa试验、围压10 MPa试验、围压15 MPa试验和围压30 MPa试验等5类试验破坏的识别模型,通过建立的识别模型对巴西劈裂声发射事件进行分类。

KNN(k-Nearest Neighbor)分类算法具有理论简单、容易实现、准确度高、支持多分类等优点。因此本研究采用该算法建立声发射多参量融合的分类模型。该算法的基本步骤如下:

(1)输入训练样本集和测试样本集,分别给样本集中每个数据赋予标签,即表示样本集中每一个数据与所属分类的对应关系。为了避免声发射事件数据数量差异对识别结果造成影响,在5、10、15、30 MPa的压缩试验以及直接拉伸试验的声发射事件中等间隔选择4 000个事件作为训练数据,巴西劈裂试验所有的5 169个声发射事件作为测试数据。选择上升时间、计数、幅值、平均频率和峰值频率作为每个数据的属性,对应的数值记为x1、x2、x3、x4、x5。

(2)将新数据的每个特征与样本集中数据对应的特征进行比较,提取样本最相似数据(最近邻)的分类标签。一般来说,只选择样本数据集中前k个最相似的数据,将这些数据中出现次数最多的分类作为新数据的分类。两个数据的相似情况采用欧式距离进行判断,距离越小认为越相似。假设测试样本中第i个声发射事件与训练样本中第j个声发射事件的距离为dj,计算公式为

式中,dj为两个声发射事件之间的距离;xki为测试样本中第i个声发射事件的属性值;xkj为训练样本中第j个声发射事件的属性值。

(3)输出测试样本集的分类结果。KNN算法中k的大小直接影响计算结果,k一般小于训练样本数的算术平方根。k分别取 10、15、20、25 4个值,研究k值对分类的影响。如表2所示,k取10、15、20、25时巴西劈裂声发射事件的分类结果较为相似,说明k在10～25范围内取值对分类结果影响较小。本研究基于k=20的结果进行分析。

表2 不同k值下巴西劈裂试验声发射事件的分类结果Table 2 Classification results of acoustic emission events with different k values in Brazilian splitting test

将巴西劈裂试验声发射数据属于直接拉伸试验、围压5 MPa试验、围压10 MPa试验、围压15 MPa试验和围压30 MPa试验的分别定义为张拉裂纹、压剪裂纹A、压剪裂纹B、压剪裂纹C和压剪裂纹D,并将不同围压下的压剪破坏裂纹统称为压剪裂纹。如表3所示,巴西劈裂试验破坏以张拉裂纹为主,约占95.38%;而压剪破坏的裂纹占比较低,约占总裂纹数量的4.62%,其中15 MPa围压下的压剪破坏最多,约占总裂纹的2.36%。

表3 巴西劈裂试件破裂模式识别结果Table 3 Recognition result of cracks in Brazilian splitting test specimen

2.4 巴西劈裂试验裂纹演化过程

巴西劈裂破坏过程中压剪裂纹和张拉裂纹数量的变化过程如图 8所示。在加载39 s(应力0.12 MPa)前,仅有少量压剪裂纹产生,在39 s后开始出现大量的张拉裂纹。压剪裂纹和张拉裂纹整体上变化较为一致,均可以分为加速增长阶段、快速线性增长阶段、平静阶段以及缓慢线性增长阶段(表4)。除了加速增长阶段张拉裂纹的起止时间略滞后于压剪裂纹外,其他各阶段的起止时间基本一致。裂纹主要产生于加速增长阶段和快速线性增长阶段,压剪裂纹在加速增长阶段、快速线性增长阶段产生的裂纹占比分别为52.9%、41.3%。对应的张拉破坏在这两个阶段的占比为49.2%、42.7%。各阶段单位时间(应力)产生的裂纹数量快速线性增长阶段最大,加速增长阶段次之,平静阶段最小。

表4 巴西劈裂试验各阶段破裂数量统计Table 4 Statistics of the number of cracks in each stage of Brazilian splitting test specimen

图8 不同形式裂纹的数量随时间的变化Fig.8 Variation of the number of different types of cracks with time

巴西劈裂试件裂纹空间演化特征如图9所示。在加载初期(小于0.12 MPa),加载端部压力较大,首先在该部位发生压剪破坏,因此裂纹主要集中在加载端部。应力从0.12 MPa增加到2MPa的过程中,出现大量的张拉裂纹,且张拉裂纹主要集中在试件中心,只有少量的张拉裂纹集中在试件两端的加载部位,但此时在试件两端的加载部位和中心均出现了少量的压剪裂纹。应力从2 MPa增加到4MPa时,张拉裂纹仍然主要集中在试件中心,仅有少量的裂纹集中在加载端部,此时,在试件中部也出现了少量的压剪裂纹。应力从4 MPa增加到4.5MPa的过程中,只有少量的压剪裂纹产生,且产生的裂纹主要集中在试件端部。应力从4.5 MPa到破坏的过程中,产生了大量的张拉裂纹,这些裂纹在试件的加载端部和中心都有大量集中,该过程中仅产生了少量的压剪破裂。综上,虽然加载初期在加载端部产生了少量的压剪破裂,但整个破坏过程以张拉破裂为主导,且张拉破裂逐渐由试件中心向端部扩展。