节理岩体声发射曲线的分析优化

图2.31是试件在节理倾角为30°时单轴压缩条件下应力-声发射参数-时间曲线图,从图中可以看出,应力曲线与声发射振铃计数和声发射能量有较好的相关性。当节理倾角为30°时,曲线在加载初期声发射信号一直比较微弱,这个阶段的振铃计数较少,累计振铃计数曲线斜率较小,在198 s时声发射振铃计数有明显增大,说明试件预制节理应力集中导致裂纹起裂,但因裂纹起裂需要应力仅为裂纹扩展需要应力的0.01～0.1倍[65],声发射振铃计数仅占最大振铃计数的0.082 5,在200～308 s有小幅度下降后逐渐平稳,累计振铃计数曲线斜率明显增大,对应着应力应变曲线的弹性应变阶段,试件没有出现大的裂纹。在310 s加载至55 MPa时,声发射信号突然大幅度增大,并在328 s时在到达应力最高点前振铃计数突增到432,累计振铃计数曲线斜率突然激增,耗散能量也呈现突升趋势,试件伴有响亮的破裂声音,说明试件在峰值强度附近宏观节理扩展贯通,峰值强度过后,在330 s处发生应力跌落现象,声发射信号急剧减少,试件发生“咔咔”声响,伴随着能量大量释放,说明能量耗散具有延时性,在应力跌落后未超过前期峰值应力时,声发射信号较弱,出现了明显的Kaiser效应,说明试件有明显的受载记忆特性,在380 s时振铃计数达到峰值,累计振铃计数继续增加至稳定。完整试件其破坏形式为轴向劈裂拉伸破坏,表现为典型的脆性岩石,不同节理分布的试件破坏主要有3种,节理编号从上到下依次为①,②,③,试件破坏形式如图2.32所示,破坏形式大多表现为张拉破坏,30°节理倾角试件在①处形成翼裂纹,在节理间没有明显的裂纹扩展,耗散能与声发射信号均较小,裂纹沿加载方向向两端发展,节理间相互贯通,耗散能呈台阶状突升,声发射信号也出现了高响应值,随后裂纹沿加载方向发展直至最后贯通破坏。

图2.31　节理倾角为30°应力-声发射参数-时间曲线

图2.32　节理倾角为30°试件破坏展开图

图2.33是试件在节理倾角为45°时单轴压缩条件下应力-声发射参数-时间曲线图,从图中可以看出,应力曲线与声发射振铃计数和声发射能量有较好的相关性,当节理倾角为45°时,在加载至86 s时,声发射信号开始产生,声发射振铃计数和能量值比较小,累计曲线斜率有小幅度的提高。试件从100 s加载至380 s左右时,声发射信号保持稳定,声发射累计曲线基本保持线性增长,说明在弹性阶段试件没有明显的宏观裂纹产生,颗粒间摩擦导致内部节理非均匀变形而产生较为密集稳定的声发射信号;试件从380 s加载至424 s时,声发射振铃计数与能量均增多并达到峰值,声发射累计振铃计数和能量曲线斜率显著增加,在试件端部产生较大压裂纹释放较大能量;在加载到424 s后发生小幅度应力跌落现象,振铃计数和能量进入平静期,声发射累积曲线增长速度变慢;试件在471 s时声发射信号重新达到峰值,在应力峰值后声发射累计曲线趋于平缓,说明在峰后阶段声发射现象较弱。图2.34是节理倾角为45°试件破坏展开图,试件首先形成翼裂纹,节理间形成压缩裂纹,产生较大声发射信号,耗散能占比较大,下端翼裂纹次生裂纹逐渐发展,声发射信号与耗散能增长速率相对缓慢,试件破坏形式与30°节理倾角试件保持一致。

图2.33　节理倾角为45°应力-声发射参数-时间曲线

图2.34　节理倾角为45°试件破坏展开图

图2.35是试件在节理倾角为60°时单轴压缩条件下应力-声发射参数-时间曲线图,从图中可以看出,应力曲线与声发射振铃计数和声发射能量有较好的相关性。当节理倾角为60°时,加载初期相较其他倾角试件有较高的声发射信号产生,声发射振铃计数和能量保持稳定水平,说明在该倾角下试件内部节理产生裂纹与预制节理面接触并产生大量声发射信号,累计声发射计数和累计声发射能量保持高速率增长,随着试验机的不断加载,声发射信号保持稳定;在529 s时声发射振铃计数和能量达到峰值,试件内部裂纹与预制节理面接触处产生宏观贯通剪切裂纹,伴随着产生大量声发射信号,声发射累计振铃计数和能量加速增长,峰后阶段趋于稳定。节理倾角为60°的试件破坏形式属于剪切破坏,节理萌生最早发生在①处内部顶端,在①与②之间较早产生明显压缩次生裂纹,伴随着声发射能量的高响应值,耗散能随着节理扩散发展稳定增长,最后内部节理发育扩展沿②产生明显的剪切面发生破坏,如图2.36所示。

图2.35　节理倾角为60°应力-声发射参数-时间曲线(www.xing528.com)

图2.36　节理倾角为60°试件破坏展开图

图2.37是试件在节理倾角为75°时单轴压缩条件下应力-声发射参数-时间曲线图,从图中可以看出,应力曲线与声发射振铃计数和声发射能量有较好的相关性。当节理倾角为75°时,在加载初期属于压密阶段;在330 s时,声发射振铃计数与能量产生较集中的信号,对应应力应变曲线上升缓慢,声发射振铃计数和能量曲线缓慢增长,说明试件内部节理和预制节理内部颗粒和预制节理发育扩展;在593 s时产生较大的声发射信号,随后发生应力跌落现象,说明内部裂纹和预制节理裂纹发展贯通会产生大量的声发射信号,声发射参数值在应力达到最大值时同时突变达到较小的峰值,在应力跌落后未超过前期峰值应力时,声发射信号较弱,出现了明显的Kaiser效应,说明试件有明显的受载记忆特性;加载至789 s时试件宏观裂纹不断扩展贯通,导致张拉劈裂面产生,声发射振铃计数和能量达到最大值,累计振铃计数和能量信号曲线加速增长,峰后阶段声发射累计曲线几乎不再增加。图2.38是节理倾角为75°试件破坏展开图,节理倾角为75°的试件,其最终破坏形式基本为张剪混合破坏,首先在③下端、①和②处形成翼裂纹,声发射能量较早出现较大值。随后在②处形成拉伸裂纹与翼裂纹连接产生次生裂纹,节理间产生了较明显的压缩次生裂纹,由于压缩裂纹与翼裂纹没有明显的发育,前期所产生的声发射能量较小。最后随着应力的增加进而扩展,在②处明显看到剪切面的出现,伴随着最大能量响应值,试件释放大量能量。

图2.37　节理倾角为75°应力-声发射参数-时间曲线

图2.38　节理倾角为75°试件破坏展开图

从图2.31—图2.38中可以看出,预制节理试件的应力-声发射-时间曲线存在相同趋势,声发射与应力曲线有着良好的对应关系,随着荷载逐渐增大,AE事件由前期低能量、小裂纹事件向高能量大事件转化,大量微破裂、扩展,最终贯通为宏观裂纹。试件完全破坏且大部分能量得到释放,各破裂类型数量随节理倾角的增大而减小,线性张拉破坏所占比例随节理倾角的增大而减小,线性剪切破坏、混合张剪破坏所占比例随节理倾角的增大而增大,试件的拉伸裂纹扩展可以是稳定的,随荷载的上升而扩展,扩展速率缓慢,是可以观察和可控的。但剪切型裂纹的扩展是不稳定的,当荷载增到一定程度后会瞬间发生,裂纹扩展速度与介质的声速在一个数量级会导致试件的突然失稳现象。在加载变形过程中基本可分为4个阶段,即初始压密阶段、弹性变形阶段、非稳定破裂发展阶段和应力峰后阶段。

第一阶段:初始压密阶段。在此阶段由于试件非均质性,在轴压逐渐增大的过程中试件内部存在的裂纹、孔隙开始闭合,释放部分能量,伴随着产生少量声发射信号,应力应变曲线斜率逐渐增大,试件的强度增大,声发射信号曲线也表现出非线性上升的变形特征。

第二阶段:弹性变形阶段。应力应变曲线几乎呈现线性上升特征,由于内部仍有一些缺陷存在,初期预制节理周围基本无破坏出现,声发射信号较为稳定,产生较多小事件,事件率较大,声发射能量较小。随着应力的增加,由于预制节理周围微节理萌生,节理尖端应力集中明显,试件发生起裂现象,声发射曲线呈现出非线性上升,声发射现象较为明显,而后裂纹释放能量,声发射计数保持稳定。

第三阶段:非稳定破裂发展阶段。应力应变曲线速率变小,随着预制节理周围沿着轴向应力方向扩展形成局部贯通破裂面,产生应力跌落现象,声发射信号速率明显增大,伴随较大的声发射计数值。

第四阶段:应力峰后阶段。峰值后应力应变曲线出现了迅速的应力跌落,应变变化较小,此时裂纹快速扩展贯通,含节理试件发生脆性破坏,破裂面错动使声发射信号呈直线上升,达到最大值。