单裂纹砂岩轴向压缩下的破裂特征与声发射频域特征.pdf

第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2022-09-24 作者简介：赵珍贤（1997-），男，贵州大学资源与环境工程学院，硕士生。通讯作者：江兴元（1986-），男，博士，贵州大学资源与环境工程学院；贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实 验室；贵州正业工程技术投资有限公司 贵州大学，副教授。基金项目：国家自然科学基金（42007271）：基于多源数据的碎裂结构岩质斜坡失稳风险预测的参数与方法研究。单裂纹砂岩轴向压缩下的破裂特征与声发射频域特征 赵珍贤1，江兴元1，2，3，沈志平3，陈世万1，2，杨 贵4，孟生勇1（1.贵州大学资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州正业工程技术投资有限公司，贵州 贵阳 550025；4.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550025）摘 要：研究裂隙岩体的开裂行为和破坏前兆，对工程岩体失稳的预测预警极为重要。文中基于声发射技术，开展不同倾角单裂纹砂岩的单轴试验研究。研究表明：（1）裂纹会降低岩体的强度和弹性模量，完整岩样以张破坏为主，裂隙岩样的破裂模式为张破坏（0）剪破坏（45）张破坏（90）；（2）高能量信号在两个低频段内产生，中频信号在加载前三个阶段内较少，而在阶段内，4 种类型信号激增，能量主要在这一阶段得到释放。（3）随裂纹倾角增加（090），裂隙岩体的信号分布渐与完整岩样相似。关键词：单裂纹砂岩；单轴压缩；声发射 中图分类号：TD315 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0095-03 一、引言 岩体内部多组结构面控制着岩体的变形演化破坏过程、受载方式和裂纹扩展演化。岩石破坏过程中裂纹的萌生、扩展及贯通，岩石内部储存的能量会以瞬态应力波的形式释放，产生大量声发射现象。通过对声发射信号的分析，可以反馈岩体内部裂纹的新生、扩展和收缩等过程，间接揭示岩石的破坏机理。因此，探究声发射信号在裂隙岩石主破裂期的异常前兆信息，对于岩质崩滑灾害及地下工程围岩失稳的预测预警极为重要。对于裂隙岩体的研究，陈蕴生1等研究了“丁”形裂隙的力学特征。王笑然2等研究了裂隙砂岩扩展的声发射响应和速率效应。Wu3和宋宜猛4等结合声发射开展裂隙岩体的破裂特征研究，但基本是常规的声发射特征参数分析。文中通过含单裂纹红砂岩的单轴加载和声发射监测试验，分析了裂隙岩体的开裂行为和声发射频域特征。二、试验方案 试验岩样为贵州遵义市丹霞地貌区的新鲜红层砂岩，按工程岩体试验方法标准（GB/T50266-2013）对岩块进行取芯、切割和打磨，制成 50mm100mm 的标准 圆 柱试 样。试 样密 度 2.542.56 g cm-3，波 速3,0863,205ms-2。试件砂质较细，均质性好。岩石样品包括两类，完整岩样（A#）和预制裂纹岩样（B#）。试件制备先采用直径 2mm 的钻头在试样中部打孔，再利用水射切割技术从小孔往两端切割裂纹，样品共设置了=0、45和 90共 3 种倾角，裂纹为穿透型，长度15mm，宽 1.5mm。试验系统包括力学加载装置、声发射监测装置和摄像装置。力学加载选用 WAW-1000KN 型微机控制电液万能试验机，采用位移伺服控制，加载速率 0.1mm/min。声发射试验采用 PCI-2E5.40 监测系统和 PXR15M 探头进行信号采集，采样频率 106 s-1，放大器主放 40dB，阈值 3545dB。试验全过程采用数码摄像机进行录制。三、试验结果分析 1裂纹倾角对试件的开裂行为及破坏模式的影响 岩样 A#、B#0、B#45和 B#90的抗压强度c为94.8、30.7、68.5 和 89.8MPa，弹模E为 10.3、2.2、9.0和 10.2GPa。预制裂纹倾角为 0时c和E最小，且随着倾角增大，这两个参数越接近于完整岩体。图 2 是单轴压缩下砂岩的裂纹扩展与破坏过程。完整岩样 A#加载过程中，两端受压后竖向张拉裂纹较发育，随着荷载增加至抗压强度时，裂隙迅速扩展，破裂过程主要受竖向张拉贯穿裂隙控制。预制裂纹岩样 B#0在压缩时首先在裂纹端部形成一条与加载方向相同的张拉型翼裂纹，应力接近峰值强度时，岩石下部产生一条贯通预制裂纹的张翼裂隙，初始翼裂纹从中部开始向试件顶部扩展产生张拉型远场裂纹，上下端部裂纹迅速贯通，试件瞬间破坏。岩样 B#45同样首先在预制裂纹端部产生张拉型翼裂纹，随着荷载增加，试件破坏受控于沿着预制裂纹方向的端部剪切型翼裂纹。B#90在荷载作用下，首先在预制裂纹中部和端部产生裂纹，初始新生裂纹最后发育为主控张拉裂纹。96 中 国 水 运 第 23 卷 （a）A#（b）B#0 （b）B#45 （b）B#90 图 1 单轴压缩下岩石的破裂过程 2裂纹扩展阶段的频域特征 （a）A#0501001502002503003500.00.20.40.60.81.0归一化幅值峰频(kHz)（b）B#0 图 2 单轴压缩下岩石的声发射主频和归一化幅值特征 图 2 是单轴压缩下典型岩石的声发射主频和归一化幅值特征。裂隙岩体单轴受载下的声发射主频分布在 0360kHz。将声发射主频幅值在 01 间进行归一化处理，定幅值归一化后值范围0.06 的声发射为高振幅信号。按主频、振幅关系将信号分为低频低幅值信号（LF-LA）、低频高幅值信号（LF-HA）（0105kHz）、中频低幅值信号（IF-LA）（105250kHz）和高频低幅值信号（HF-LA）（250kHz）。声发射高振幅（能量）信号主要在低频段内产生。图 3 为岩石各加载阶段的频域演化，其规律为：阶段：初始裂隙主要处于不断压密状态，几乎无裂纹萌生和扩展，声发射信号主要为 LF-LA。岩样 A#和岩样 B#的 HF-LA 和 LF-LA 信号并存，但完整岩样的 IF-LA 信号明显比裂隙岩样多。这表明，该阶段内岩石内部大尺度裂纹与小尺度裂纹并存，且小尺度裂纹转化为大尺度裂纹的现象更容易在完整岩样内部发生。阶段：岩石受载时以 LF-LA 信号为主，HF-LA 信号次之，存在少量 IF-LA 信号，其中，完整岩样 A#的中频信号也多于裂隙岩样 B#。该阶段，基本没有能量释放。阶段：随着加载的进行，应力达到裂纹的起裂点。由于旧裂纹的稳定扩展和大量新裂纹的萌生，大量小尺度裂纹和少数大尺度裂纹逐渐产生，岩样整体上的 LF-LA 和 HF-LA信号明显逐渐增多，部分岩样存在高能量信号的现象。但岩石在该阶段受载时，整体所释放的弹性应变能不高。阶段：应力达到岩石的损伤应力点后，岩样的 LF-LA、IF-LA、HF-LA 信号突增，且在岩石峰值应力破坏点附近时LF-LA、IF-LA、HF-LA 及 LF-HA 信号数量达到最多。这说明小尺度裂纹和大尺度裂纹数量突增，岩石内部大量势能被释放，并在岩石完全破坏瞬间释放高能量弹性波。随着预制裂纹倾角的增加，IF-LA信号的分布规律与岩样A#逐渐相似：在该阶段，中频信号的集中分布范围逐渐扩展。因此，推测在裂隙不稳定扩展时，预制裂纹角度越大，微裂纹发展为宏观裂纹所需的应力环境越低。（下转第 137 页）第 4 期 王 琴：灵台县坷台水厂加压泵房土建施工方案及措施探讨 137 底板模板及混凝土浇筑、侧墙混凝土施工、楼梯混凝土施工、泵房上部及配电间施工、集水井施工、机电设备及金属结构安装等工程，其中侧墙混凝土施工按底板分块浇筑的先后顺序所创造的施工面，弹出第一块侧墙模板线、墙基础底面混凝土进行凿毛并打扫干净后才可进行钢筋绑扎工序，准备钢筋绑扎的同时，侧墙内外搭设离模板线 50cm 的双排脚手架，横杆内侧与钢模板边线相重合，端头与固定模板的直径48mm 钢管连结纵向围檩，双排脚手架不仅为侧墙钢筋的固定架，而且为模板纵横向围檩辅助的固定架，距模板 50cm的空间为绑扎钢筋的工作平台。前后侧墙浇筑混凝土时底板应该进行分块处理之后方可实施浇筑作业。集水井的钢模板组合的夹缝间使用密封条同时刷一层相当于塑料薄膜的脱模剂增加缝隙处混凝土表面的光洁度，两模板连接使用直径为16mm 的螺栓，预留振捣的孔洞用小型模板进行封堵，模板的纵横向支撑使用直径为 48mm 的三型扣件固定同时结合现场施工侧墙高度设计斜撑和拉杆位置，在刚度和强度以及稳定性均达到施工要求后在脚手架和模板之间预留 50cm 缝隙以便后续安装模板。对施工现场中使用的混凝土砂浆比例与塌落度进行检验后还需在施工现场设置人员进行制作检验。认真做好施工记录，施工技术管理并做到工完技术资料齐全，并及时整理照档。参考文献 1 权志刚.应急备用水源工程加压泵房深基坑综合降排水分析J.黑龙江水利科技，2021，49（4）：204-206.2 吴国栋.房建工程中的钢筋工程施工质量控制研究J.房地产世界，2022，（4）：128-130.3 蔡历颖.大筏板钢筋型钢整体支架施工技术研究J.工程建设与设计，2021，（S1）：215-218.4 施文钟，万恒早.地下室底板后浇带超前止水施工工艺J.施工技术，2020，49（S1）：820-822.5 杨晨旭.房屋建筑工程施工中混凝土裂缝防治技术研究J.建材发展导向，2022，20（8）：121-123.6 林李山.超大型地下室底板及侧墙混凝土超长结构无缝施工技术J.建筑技术，2004，（11）：832-834.7 褚云朋，钟燕，孙鑫晖等.大型混凝土洞体钢模板支撑结构承载性能试验研究J.建筑结构，2022，52（8）：99-104.8 李学鹏，敖卫，杨磊等.现浇板式清水混凝土螺旋楼梯施工深化设计要点研究J.建筑技术，2020，51（3）：368-370.9 冀佳.寒区大断面软岩隧道冻胀渗漏水处治施工技术研究J.四川建材，2021，47（10）：105-106.10 于志洋.机电设备及管道安装问题的质量控制分析J.居业，2022，（04）：35-37.（上接第 96 页）（a）A#（b）B#0 （c）B#45 （d）B#90 图 3 单轴压缩下岩石的声发射主频分布演化 四、结论（1）裂隙 B#的单轴抗压强度c和弹模E比完整岩样A#小，随裂纹倾角的增加（090），逐渐靠近完整岩样。（2）完整岩样 A#以张拉破裂为主，随预制裂纹倾角的增加，主控破坏模式为：张拉破坏（0）剪切破坏（45）张拉破坏（7590）。（3）高能量声发射信号在主要在低频区产生，在阶段内，4 种类型的信号数量出现激增，说明岩石内部存储的能量主要在该阶段内释放，且随着裂纹倾角的逐渐增加（090），岩样 B#的中频信号分布情况与完整岩样 A#逐渐相似。参考文献 1 陈蕴生，蒲诚，李光明等.“丁”字形交叉裂隙类岩体的力学特性研究J.实验力学，2019，34（4）：684-692.2 王笑然，王恩元，刘晓斐等.裂隙砂岩裂纹扩展声发射响应及速率效应研究J.岩石力学与工程学报，2018，37（6）：1446-1458.3 Wu X.Crack Initiation and Failure Mechanism of Granite with Single CrackJ.Geotechnical and Geological Engineering，2020，38（1）：651-661.4 宋宜猛，赵凯杰，杨小彬.单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征研究J.中国安全生产科学技术，2021，17（11）：131-136.