不同石英砂含量对类岩石力学特性及破裂模式的影响.pdf

Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology第42 卷第2 期Vol.42,No.22023年6 月June,2023内蒙古科技大学学报不同石英砂含量对类岩石力学特性及破裂模式的影响韩天宇，王创业，游茹，刘城成（内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古包头014010)摘要：为研究不同石英砂含量的类岩石材料在单轴压缩下的力学特性与破裂模式，对3 组石英砂含量不同（2 5%，3 5%和45%）的类岩石材料进行单轴压缩声发射试验.研究表明：在力学特性上，随着石英砂在所研究范围内增加,类岩石材料的强度与弹性模量均呈现先增大后减小的趋势.声发射特性上，随着石英砂含量增加,声发射事件率会存在一个声发射“事件率饱和点”，声发射事件率呈现先增大后减小的趋势.破裂模式上，当值大于值时则出现剪切裂纹,当值大于值时则出现拉伸裂纹.结果表明,随着石英砂含量的增加,类岩石的破坏趋向简单且剪切裂纹逐渐减小.关键词：石英砂；类岩石；声发射；破裂模式中图分类号：TD315文献标识码：A文章编号：2 0 9 5-2 2 9 5(2 0 2 3)0 2-0 112-0 5D0I:10.16559/ki.2095-2295.2023.02.003Effect of different quartz sand contents on the mechanicalproperties and fracture modes of rock like materialsHAN Tianyu,WANG Chuangye,YOU Ru,LIU Chengcheng(Mining and Coal School,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China)Abstract:In order to study the mechanical properties and fracture mode of rock like materials with different quartz sand contents underuniaxial compression,three groups of rock like materials with different quartz sand contents(25%,35%and 45%)were tested underuniaxial compression acoustic emission(AE).The research shows that,in terms of mechanical properties,with the increase of quartzsand in the studied range,the strength and elastic modulus of rock like materials show a trend of first increasing and then decreasing.In terms of acoustic emission characteristics,there will be an AE“event rate saturation point,and the AE event rate willfirst increaseand then decrease with the increase of quartz sand content.In the fracture mode,when is greater than,shear cracks appear,andtension induced cracks will arise when is greater than y.The results also show that the failure mode of rock like materials tends to besimplified and the length of shear crack gradually decreases.Key words:quartz sand;rock like;acoustic emission;rupture mode随着岩土工程的开展，如公路、铁路等隧道工程的大规模实施，评价经历长期变形与地下地质活动后岩石的稳定性,对于岩土工程中是起着指导意义的由于类岩石材料具有原材料易于购买、配制较*基金项目：内蒙古自治区自然科学基金资助项目（2 0 2 2 MS05037）；内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划资助项目(NJYT22073）.作者简介：韩天宇（1997），男，内蒙古科技大学硕士研究生，研究方向为岩石力学与工程.通信作者：e-mail：7 3 56 7 2 7 3 5 q q.c o m收稿日期：2 0 2 2-11-2 2113韩天宇，等学特性及破裂模式的影响为简单，且与原岩有较高相似度等优点，且考虑到获取原岩存在一定困难，所以采用类岩石材料进行研究在类岩石材料方面开展类岩石材料的研究对于岩石工程的设计和施工具有重要的理论和工程意义.选取类岩石材料进行模拟试验得到广泛认同。例如：徐新木等 研究含节理类岩石材料在冻融循环下类岩石材料的力学特性；经来旺等2 研究循环载荷下类岩石材料的能量演化与损伤特性；康一强等3 发现在节理类岩石材料中，节理角度对类岩石材料力学特性的影响；武东阳等4 分别对节理类岩石材料数值模拟与室内试验结合进行研究；黄彦华等5 详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度，抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响.以往的研究中的主要方法以改变类岩石材料的不同配比含量，来分析不同配比对类岩石材料的影响，或是对加载过程中声发射振铃计数的分析研究.在声发射事件率，声发射平均频率与声发射信号上升时间与幅度的比值（-u）上的研究有所欠缺因此，研究将基于不同石英砂含量的类岩石材料，对制备出的类岩石材料开展声发射事件率与-u值的研究1试验方案1.1试样的制备类岩石材料类比的对象为砂岩，砂岩取自江西乐平市塔前镇：经加工后制成直径为 50 mmH100mm的圆柱形标准试样，制备类岩石材料的原料分别为42 5早强型水泥、3.0 高强度石膏、2 0 0目的石英砂、3 2 5目的重晶石粉和水，水泥石膏比为9:1.类岩石材料采用3 种不同石英砂含量的类岩石材料进行制备，石英砂含量分别为2 5%，3 5%和45%.试样共分A、B和C3组，每组3 个类岩石材料试样.试样皆为 50mmH100mm的圆柱形试样，养护完成后即可开展试验。1.2试验设备和试验方法采用伺服试验机（SAS-2000，长春新科，中国）研究所制备类岩石样品的单轴压缩性能加载采用位移控制方法，加载速率为0.1mm/min，预加载荷为2 kN.采用声发射仪（DS5-8B声发射仪，北京软岛，中国)采集声发射，声发射系统门槛值为40 dB，前置放大器增益为40 dB，采集频率为3 MHz.将声发射探头涂抹耦合剂，贴合在试样表面，试验设备如图1所示。单轴压缩台单轴压缩控制仪DS5-8B声发射控制仪图1试验设备2试验结果与分析2.1类岩石材料的力学特性对3 组石英砂含量不同的类岩石材料和砂岩试样进行单轴压缩试验试验结果如表1所示表中石英砂含量相同的类岩石材料力学特性虽有少许差异但大体相近，因此挑出具有代表性的3 块类岩石材料进行接下来的力学及声发射特性分析.不同石英砂含量类岩石材料与砂岩的应力应变曲线如图2 所示由表1和图2 可知，制备出的类岩石材料力学特性与砂岩大致相同，尤其45%石英砂含量的类岩石材料其力学特性与所模拟砂岩基本一致，表明类岩石材料的配比是可行的随着石英砂含量的增加，类岩石材料的单轴抗压强度表现出先增大后减小的趋势，具体表现为：3 5%石英砂含量类岩石材料 砂岩 45%石英砂含量类岩石材料 2 5%石英砂含量类岩石材料弹性模量则出现一直减小的趋势：50.-A-2-B-240-.C-2砂岩30201000.00.10.20.30.40.50.60.7应变/%图2砂岩及类岩石材料的应力一应变曲线1142023年6 月内蒙古科技大学学报第42 卷第2 期表1砂岩及类岩石材料的物理力学参数石英砂含量密度波速平均波速单轴抗压平均抗压弹性模量平均弹性试样编号/%p/(g:cm)/(m sl)/(m sl)强度a/MPa强度g/MPaE/GPa模量E/CPaA-1251.842.7852.63625.5225.4212.7110.39A-2251.852.5672.63624.9625.428.2310.39A-3251.862.5562.63625.8025.4210.2310.39B-1351.892.7282.85938.6038.7810.419.76B-2351.932.9032.85941.1038.789.789.76B-3351.932.9462.85936.6438.789.119.76C-1451.953120300531.5532.207.567.62C-2452.032.9583 00534.4432.209.187.62C-3451.982.937300530.6132.206.147.62砂岩一2.223232323234.4234.429.209.202.2类岩石材料的声发射特性在受压岩石破坏全过程的声发射特征研究方面，国内外一些学者进行过广泛的室内试验研究，包括岩石受压、张拉、剪切和断裂试验条件下的声发射特征研究等，且主要是研究岩石峰值强度前的应力、应变与声发射参数之间的关系6 本次试验通过比对不同石英砂含量的类岩石材料在单轴压缩中4个不同变形阶段的应力与声发射事件率与时间的特征曲线，推断不同石英砂含量对类岩石材料内部微裂隙随时间演化的规律。依据类岩石材料的变形特征，可划分为4个阶段：初始压密阶段（I阶段）；弹性变形和塑性变形阶段（阶段）；失稳破坏阶段（阶段）；峰后破坏阶段（IV阶段）划分结果如图3 所示80(a)30声发射事件率.应力时间曲线IV60工I20401020000200400600t/s80(b)5080)50一声发射事件率声发射事件率应力时间曲线IV应力时间曲线40406060IIIV30II3040202020201010000001503004506007500200400600t/st/s图3类岩石材料声发射事件率与应力-时间曲线（a)2 5%石英砂含量类岩石材料；（b)35%石英砂含量类岩石材料；（c)45%石英砂含量类岩石材料115韩天宇，等：不同石英砂含量对类岩石力学特性及破裂模式的影响图3 中3 组不同石英砂含量类岩石材料的声发射事件率整体都呈现“U”型，即初期高事件率，中期低事件率，后期爆发式增长，末期又逐渐消失的趋势，这也说明了类岩石材料整个破裂过程中不同阶段其内部活动的趋势声发射事件率表示类岩石材料内部孔隙压缩、破裂。对比图3 中不同石英砂含量类岩石材料的声发射事件率呈现随着石英砂含量的增加先增大后减小的趋势，这是由于石英砂的含量增加致使类岩石材料内部的孔隙增多，但当石英砂含量增加到一定程度，类岩石材料内部则会饱和使得孔隙反而被填充，使得声发射事件率减，3类岩石材料破裂模式3.1儿-白的表征岩样破坏过程中出现的微裂纹主要包括2 种形式，即拉伸裂纹和剪切裂纹，在声发射波形参数指标中，为声发射平均频率（u）和声发射信号上升时间与幅度的比值（）值可用于对这2 种破裂模式进行定性分析，其中计算方法如式（1）和（2)所示：CAE(1)t duraion，rise(2)TAE式(1）中:为声发射平均频率,kHz;CAe为声发射振铃计数，个;tduration为声发射持续时间，s.式(2）中：为声发射信号上升时间与幅度的比值，ms/V;trise为声发射上升时间,ms;TAE为声发射振幅，V.与这2 个参数是经过大量的波形信号不断总结归纳出来的，一般来说拉伸裂纹的出现对应的声发射事件具有较小的值与较大的值；剪切裂纹所对应的声发射事件则有较大的与较小的值7 .图4为日本JCMSB57 0 6(2 0 0 3)混凝土建筑规范中8 以对角线来作为拉伸裂纹和剪切裂纹的分界直线，并且有众多学者已经证实这种评价方法9-10 因此采用此标准进行研究。3.2不同变形破坏阶段中的裂纹占比各个不同石英砂含量的类岩石材料在不同阶段的-u值所反映的裂纹占比如图5所示分析可以发现如下规律：图5（a）中剪切裂纹占比最大的出现在I阶段8.0 6%，而图5(b）和图5（c)则出现在了第IV阶段，可以得出随着石英砂含量的增加，剪切裂纹的占比比值由I阶段过渡到IV阶段；图5（a）与图5(b)在I、和阶段剪切裂纹占比明显高于图5（c)中同阶段剪切裂纹占比，图5（c）中甚至出现了0.8 4%低剪切占比的阶段与1.57%低剪切占比的阶段，说明随着石英砂含量的增加剪切裂纹也在逐渐减少.拉伸区分界线ZHP/m剪切区0y/(msVl)图4JCMS-IIB57 0 6 分类拉伸裂纹(a)剪切裂纹10096.8491.9492.0493.86%/早806040208.063.167.966.140IIIIV(b)10093.4197.5294.8492.96%/8060402016.595.167.042.480IIIV97.6399.1698.4310090.44806040202.562.370.841.5701IIIV阶段图5不同类岩石材料裂纹占比（a)2 5%石英砂含量类岩石材料；（b）3 5%石英砂含量类岩石材料；（c)45%石英砂含量类岩石材料1162023年6 月内蒙古科技大学学报第42 卷第2 期3.3类岩石材料的破坏形态在荷载作用下，岩石的破坏形态是表现岩石破坏机理外在表现的重要特征它不仅反映了岩石受力过程中的应力分布状态，同时还表现出不同试验条件对岩石变形破坏的影响.3 组不同石英砂含量类岩石材料在单轴压缩破坏后的形态如图6 所示。由图可知，不同石英砂含量的类岩石材料破坏后其破坏形态的大为不同，2 5%与3 5%石英砂含量的试样以拉伸破坏为主：但2 5%骨料含量试样破坏过程中的裂隙较宽.45%石英砂含量试样则以拉伸为主，剪切破坏很少，出现了典型的拉伸破坏形态，宏观上来看，即随着石英砂含量的增加，试样破坏形态由复杂趋于为简单。(a)1一未贯通裂隙2一表面脱落3一贯通裂隙4一衍生裂隙(b)(c)图6 音部分类岩石材料试样破坏形态（a)2 5%石英砂含量类岩石材料；（b）3 5%石英砂含量类岩石材料；（c)45%石英砂含量类岩石材料4讨论试验对类岩石材料的石英砂含量在其研究邻域（2 5%，3 5%，45%）进行了研究，首先在声发射领域上，黄彦华等5 在声发射基础参数的基础上采用传统的声发射振铃计数进行研究，本文则是采用准确度更高的声发射事件率对类岩石受压过程中内部的裂隙扩展情况其次也首次对类岩石材料在受压过程中对其分析-u值的破裂模式分析，发现了研究领域内石英砂含量对类岩石材料破裂模式的影响.5结论1)随着石英砂含量的增加，在力学特性上，类岩石材料的单轴抗压强度呈现先增大后减小的趋势（45%石英砂含量的类岩石材料其单轴抗压强度与所类比的砂岩接近），即在3 5%石英砂含量上达到最大单轴抗压强度；在弹性模量上，一直呈现减小的趋势。2)在声发射事件率上，3 组类岩石材料在不同变形破坏阶段中整体呈现3 5%石英砂含量的类岩石材料声发射事件率最高，并且在这个含量附加呈现增长后降低的趋势。3)在微观破裂模式上，通过分析-u值可以看出随着石英砂含量增大，类岩石材料的破坏模式的破坏裂纹中随着石英砂含量增加，剪切裂纹出现由I阶段逐步过渡到IV阶段，且整体上的破裂形式趋于以拉伸裂纹为主，剪切裂纹随着石英砂的增加而减少的趋势；宏观分析看即随着石英砂含量的增加，试样破坏形态由复杂趋于为简单。参考文献：1徐新木，张耀平，付玉华，等.冻融循环下含节理类岩石材料试样剪切破坏特性.吉林大学学报（地球科学版）,2 0 2 1,51(0 2)：48 3.2经来旺,李学帅，严悦，等.循环加卸载下饱和类岩石材料能量演化和损伤特性分析刀.矿业研究与开发，2022,45(01):113.3康一强，张祥,贾文豪，等.张开型节理角度和长度对类岩石材料动力学特性的影响.矿业科学学报：2022,7(03):296.4武东阳，蔚立元，苏海健，等.单轴压缩下加锚裂隙类岩石材料试块裂纹扩展试验及PFC（3 D）模拟J.岩土力学,2 0 2 1,42(0 6):16 8 1.5黄彦华,杨圣奇,刘相如.类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究J.实验力学,2 0 14,2 9（0 2）：11.6张艳博,吴文瑞，姚旭龙，等.单轴压缩下花岗岩声发射、红外特征及损伤演化试验研究.岩土力学，2020,41(S1):139.7JCMS-IIIB5706.Monitoring method for active cracks inconcrete by acoustic emission s.Japan:Federation ofConstruction Materials Industries,2003.8ALDAHDOOH M,BUNNORI N M.Crack classificationin reinforced concrete beams with varying thicknesses bymean of acoustic emission signal features J.Construc-tion and Building Materials,2013,45(08):282.9刘希灵,刘周,李夕兵,等.劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性J.工程科学学报，2 0 19,41（11）：1422.10刘沂琳，王创业，李昕昊.水一岩作用下砂岩声发射与红外辐射耦合研究J.长江科学院院报,2 0 2 2,3 9(01):127.（责任编辑：王晓枫）