2021巖石疲勞破壞過程中的變形規(guī)律及聲發(fā)射特性

1、巖石疲憊破壞過程中的變形規(guī)律及聲發(fā)射特性第23卷 第11期巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 23(11)：181018142021年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ，2021 2021年9月5日收到初稿，2021年10月24日收到修改稿。 * 國家自然科學(xué)基金(10172057)資助項(xiàng)目。作者 蔣 宇 簡介：男，27歲，碩士，2021年畢業(yè)于上海交通大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，現(xiàn)任工程師，主要從事工民建設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail ：hljlaopia/doc/b9391e8ad0d

2、233d4b14e69b5.html 。 巖石疲憊破壞過程中的變形規(guī)律及聲發(fā)射特性* 蔣 宇 葛修潤 任建喜(上海交通大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院 上海 202140) 摘要 利用RMT-150B 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)和Locan 320聲發(fā)射儀，研究了循環(huán)荷載作用下巖石疲憊破壞過程中的變形規(guī)律和聲發(fā)射特征，揭示了兩者之間的聯(lián)系。從宏瞧不可逆變形和微瞧損傷的角度對巖石疲憊破壞過程進(jìn)行了初步分析，確定了軸向變形的3階段規(guī)律和橫向變形的2階段規(guī)律，論述了選擇軸向變形作為宏瞧損傷參量的合理性。要害詞 巖石力學(xué)，循環(huán)荷載，疲憊，聲發(fā)射分類號 TU 45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1000-6915(2021)1

3、1-1810-05DEFORMATION RULES AND ACOUSTIC EMISSION CHARACTERISTICSOF ROCKS IN PROCESS OF FATIGUE FAILURE Jiang Yu ，Ge Xiurun ，Ren Jianxi(School of Civil Engineering and Mechanics ，Shanghai Jiaotong University ，Shanghai 202130 China ) Abstract Deformation rules and acoustic emission characteristics of

4、rocks in the process of fatigue failure are studied and the relation of them is revealed using the rock mechanics test equipment named RMT-150B and Locan320 acoustic emission instrument. The elementary analysis for the process of fatigue failure of rock is carried out from the points of macroscopica

5、l irreversible deformation and microcosmic damage. In addition ，three-stage laws of axial deformation and two-stage laws of radial deformation are established and the rationality to choose axial deformation as macroscopical damage parameter is also presented. Key words rock mechanics ，cyclic loading

6、 ，fatigue ，acoustic emission 1 前 言在巖土工程中，經(jīng)常會碰到循環(huán)荷載的作用。巖石在循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度和變形規(guī)律與靜態(tài) 荷載作用下有顯著不同。強(qiáng)度方面表現(xiàn)出劣化性，疲憊破壞的強(qiáng)度低于靜力強(qiáng)度；變形方面則表現(xiàn)為記憶性，破壞點(diǎn)的位置受到靜態(tài)全過程曲線的控 制1，2。為了更好地了解循環(huán)荷載作用下巖石的疲勞壽命及其控制因素，有必要對巖石疲憊破壞的整個過程作深進(jìn)的研究和分析。循環(huán)荷載作用下巖石的疲憊破壞是一個動態(tài)的過程。在宏瞧上是一個不可逆變形逐漸發(fā)展積累、直至失穩(wěn)破壞的過程；在微瞧上則是一個微裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通，損傷逐漸加劇的過程。因此，不可逆變形和損傷是疲憊破壞過程

7、中密切聯(lián)系的兩個指標(biāo)。在試驗(yàn)中，不可逆變形可以通過循環(huán)荷載作用下的位移或應(yīng)變來體現(xiàn)，損傷則可通過加載過程中巖石的聲發(fā)射信息來反映。為了全面了解循環(huán)荷載作用下巖石的變形特征和內(nèi)部損傷演化情況，筆者利用國內(nèi)先進(jìn)的RMT-150B 巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)和Locan320聲發(fā)射儀進(jìn)行了大量的單軸疲憊試驗(yàn)。試第23卷 第11期 蔣 宇等. 巖石疲憊破壞過程中的變形規(guī)律及聲發(fā)射特性 ? 1811 ?驗(yàn)過程中同步記錄巖石試件的位移和聲發(fā)射信息，然后進(jìn)行比照分析，揭示了疲憊破壞過程中的變形規(guī)律和聲發(fā)射特性。2 試驗(yàn)裝置及方法試驗(yàn)所用的巖樣，紅砂巖取自江西貴溪，大理巖取自四川雅安。嚴(yán)格按照國際巖石力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)3，加工成

8、直徑50 mm 、高100 mm 的圓柱體試件，端面的平行度在0.02 mm 以內(nèi)。巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度通過單軸全過程試驗(yàn)測得，取一組數(shù)據(jù)的平均 值。紅砂巖為37 MPa ，大理巖為88 MPa 。疲憊循環(huán)試驗(yàn)在RMT-150B 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。這是一套閉環(huán)控制的電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)。此系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行壓縮情況下的疲憊試驗(yàn)。系統(tǒng)軸向最大輸出荷載1000 kN ，最高疲憊頻率20 Hz 。試驗(yàn)中選擇正弦波作為循環(huán)加載波形，頻率為0.2 Hz 。循環(huán)荷載的上限應(yīng)力比和下限應(yīng)力比分別設(shè)定為0.85和0.3(上限應(yīng)力比是指循環(huán)荷載最大應(yīng)力與巖石強(qiáng)度的比值，下限應(yīng)力比是指循環(huán)荷載的最小應(yīng)力與巖

9、石強(qiáng)度的比值)。軸向位移和 橫向位移可通過縱向和橫向傳感器由計(jì)算機(jī)自動采集，并換算成軸向應(yīng)變(11)和橫向應(yīng)變(22)，體積應(yīng)變由公式2211v 2+=給出。循環(huán)過程中的聲發(fā)射信息，通過Lacan320聲發(fā)射儀來記錄。實(shí)驗(yàn)過程中采用雙通道采集數(shù)據(jù)，每一通道對應(yīng)一個獨(dú)立的前置放大器和換能器。兩個換能器放置于巖石試件長度方向上的中心，相對放置，如圖1所示。換能器和巖石試樣之間以黃油作為耦合劑，用膠帶牢固固定于巖石之上。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定聲發(fā)射儀的主放為35 dB ，門檻值為45 dB 。 圖1 聲發(fā)射探頭布置Fig.1 Distribution of acoustic emission sensors3

10、試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 循環(huán)荷載作用下的變形特征3.1.1 軸向應(yīng)變圖2給出了循環(huán)荷載作用下軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變的關(guān)系。曲線可以瞧成兩個部分：第一部分(ab 段)是為達(dá)到循環(huán)荷載的平均值所進(jìn)行的加載過程，荷載以等速率(0.1 kN/s)施加；第二部分(bc 段)是以循環(huán)荷載平均值為起點(diǎn)，正弦波反復(fù)作用的疲憊過程。 圖2 軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Axial stress-strain curve 在整個疲憊過程中，每一個加、卸載的循環(huán)都會產(chǎn)生塑性滯環(huán)。滯環(huán)在加載開始的階段比較大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯環(huán)逐漸變小并趨于穩(wěn)定；經(jīng)歷一定的循環(huán)周期后又逐漸變大，直至試件破壞。由于在c 點(diǎn)之后的循環(huán)中應(yīng)

11、力已經(jīng)上升不到設(shè)定的上限應(yīng)力，故認(rèn)為c 點(diǎn)為實(shí)際的破壞點(diǎn)。曲線的特征為：隨著循環(huán)次數(shù)的增長，軸向變形逐漸向變形增大的方向移動，呈疏密疏3個階段。取每個塑性滯環(huán)在上限應(yīng)力處對應(yīng)的軸向應(yīng)變，繪出其隨循環(huán)次數(shù)變化的過程曲線示于圖3。可以明顯瞧出，整個疲憊過程的變形可以劃分為3個階段。開始階段變形發(fā)展較快；經(jīng)過一定的循環(huán)之后變形速率趨于穩(wěn)定；隨循環(huán)次數(shù)的增加變形緩慢增大，最后階段又忽然加速，試件很快發(fā)生破壞。對圖3中的擬合曲線進(jìn)行微分，可以得到圖4的應(yīng)變發(fā)展速率曲線。在第一和第三階段，應(yīng)變的發(fā)展很快，累積的應(yīng)變量占總應(yīng)變量的2/3以上。第二階段中，軸向應(yīng)變以等速率發(fā)展，應(yīng)變發(fā)展很慢，累積的應(yīng)變總量也小

12、，但占據(jù)了疲憊壽命的盡大部分時間4。有1 1 3 3AE 探頭? 1812 ? 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2021年圖3 軸向位移發(fā)展曲線Fig.3 Development curve of axial displacement圖4 軸向位移發(fā)展速率Fig.4 Development velocity of axial displacement些學(xué)者借用蠕變的概念，把軸向應(yīng)變發(fā)展過程劃分為初始階段、等速階段和加速階段5。為了分析上限應(yīng)力對巖石疲憊壽命的影響，我們作了不同上限應(yīng)力比的對比試驗(yàn)6，把上限應(yīng)力比從0.85提高到了0.90。試驗(yàn)結(jié)果表明，上限應(yīng)力對軸向應(yīng)變的發(fā)展影響明顯。在固定下限應(yīng)力而提高

13、上限應(yīng)力時，會提高第一和第三階段應(yīng)變在整個應(yīng)變發(fā)展中的比率，也會提高等速階段的應(yīng)變發(fā)展速率，從而加速破壞過程，縮短巖石的疲憊壽命。需要指出的是，在等幅的情況下，盡管上述指標(biāo)發(fā)生了量的變化，但是軸向變形發(fā)展的3階段規(guī)律沒有變，即軸向變形發(fā)展的3階段疲憊規(guī)律是不依靠于應(yīng)力比的。3.1.2 橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變的變化規(guī)律與軸向應(yīng)變明顯不同，它的變化可以分為兩個階段。在相當(dāng)長的一段時間中橫向應(yīng)變變化很小，只是在鄰近破壞時忽然加速，并有顯著的增大。第一階段累積的應(yīng)變量不及第二階段的1/10，而且此階段每個周期中橫向應(yīng)變的增長和恢復(fù)都比較少，以很小的滯回環(huán)近似平行于縱軸發(fā)展，發(fā)展過程中應(yīng)變緩慢地累積。第二階段

14、橫向應(yīng)變發(fā)展很快，但仍然沒有明顯的滯環(huán)。具體可見圖5和圖6。圖5 軸向應(yīng)力-橫向應(yīng)變曲線Fig.5Axial stress-radial strain curve圖6 橫向應(yīng)變發(fā)展曲線Fig.6 Development curve of radial displacement3.1.3 體積應(yīng)變體積應(yīng)變是軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變的疊加效應(yīng)。由于在施加循環(huán)荷載之前應(yīng)力已經(jīng)加到門檻值以上(門檻值通常被認(rèn)為是體積壓密的最小點(diǎn)7，并且在微瞧上也得到了驗(yàn)證)，所以體積已經(jīng)經(jīng)過了壓密階段，整個循環(huán)過程中一直保持增長，只是在循環(huán)荷載作用前有體積縮小的壓密階段。體積應(yīng)變增長過程中，受到軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變共同作用。每

15、個循環(huán)中體積應(yīng)變都有增長和恢復(fù)，并逐漸累積增長，但滯回環(huán)很不明顯。臨近破壞時體積應(yīng)變迅速增長，變化很大(見圖7)。4 循環(huán)荷載作用下的聲發(fā)射特征巖石在荷載的作用下產(chǎn)生的聲發(fā)射主要和裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和連接有關(guān)。裂紋形成和擴(kuò)展時，造成應(yīng)力的弛豫8，儲存的能量以波的形式釋放出來，第23卷第11期蔣宇等. 巖石疲憊破壞過程中的變形規(guī)律及聲發(fā)射特性 ? 1813 ?圖7 體積應(yīng)變發(fā)展曲線Fig.7 Development curve of volume strain形成聲發(fā)射。聲發(fā)射時能量的釋放代表了損傷的產(chǎn)生，聲發(fā)射的強(qiáng)弱代表了損傷的程度。所以，可以利用聲發(fā)射信息來反映巖石內(nèi)部的損傷情況。疲憊試驗(yàn)試件

16、處于交變荷載的作用之下，背景噪音比較大。這種噪音主要來源于試驗(yàn)機(jī)油壓源的振動和夾具的摩擦，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硐@種噪音的影響。試驗(yàn)機(jī)油壓源的振動噪音比較小，試驗(yàn)時通過在端部墊塊和加載裝置間夾進(jìn)濾紙并適當(dāng)?shù)卦O(shè)定試驗(yàn)參數(shù)來消除9。夾具的噪音影響比較大，通過選擇合理的夾具以及使用彈性墊的方法來消除。圖8給出了循環(huán)荷載作用過程中(略往了為達(dá)到循環(huán)荷載的平均值所進(jìn)行的靜態(tài)加載過程)聲發(fā)射率的時程曲線，并在其上部給出軸向位移的發(fā)展曲線以便對照。由圖可見，聲發(fā)射在整個循環(huán)的過程中也有3個階段：循環(huán)開始時，聲發(fā)射率比較大，此時位移發(fā)展也比較快，每個循環(huán)中都有比較明顯的滯回環(huán)；隨后聲發(fā)射率降低，在很長的一段

17、時間內(nèi)都保持比較小的值，此時的位移以等速率緩慢發(fā)展；臨近破壞時，聲發(fā)射率又急劇增大，并在破壞點(diǎn)四面達(dá)到極值，位移也迅速發(fā)展，試件很快失穩(wěn)圖8 循環(huán)過程中聲發(fā)射率的時序圖Fig.8 Chronological curve of AE rate 破壞。聲發(fā)射3個階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別與軸向位移發(fā)展3階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對應(yīng)，見圖8中的a和b點(diǎn)。由此得到一個重要的規(guī)律：等幅循環(huán)荷載作用下巖石的損傷規(guī)律和軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律是一致的。所以，在選擇宏瞧損傷變量時選擇軸向變量比較合理。實(shí)際上在循環(huán)荷載開始施加之前，即在應(yīng)力從零加到循環(huán)荷載的平均值的過程中(圖2中的ab段)我們就已經(jīng)瞧察到了豐富的聲發(fā)射信息，表明損傷已經(jīng)

18、發(fā)生，微裂紋出現(xiàn)并有一定的擴(kuò)展。這階段的聲發(fā)射現(xiàn)象因其應(yīng)力是以等速率施加的，所以與靜態(tài)荷載作用下的情況相同。這種損傷也與疲憊無關(guān)，僅僅可以瞧作疲憊開始之前的一種初始損傷狀態(tài)，本文不做研究。循環(huán)荷載開始施加后，由于正弦波荷載是一種非等速率的荷載且周期很短，使加載速率發(fā)生了突變。同時由于循環(huán)荷載的加卸載效應(yīng)，促使試件的不可逆變形快速加大，不斷有新的微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，聲發(fā)射比較明顯10。經(jīng)過一定的循環(huán)之后，裂紋的發(fā)展趨于穩(wěn)定，聲發(fā)射也趨于穩(wěn)定，數(shù)值變得很小。但在每次的上限應(yīng)力四面都可以瞧察到聲發(fā)射現(xiàn)象(見圖9的局部放大圖，從1 500 s到1 530 s，共30 s，6個循環(huán))，這說明在疲憊荷載作用

19、下巖石內(nèi)部的損傷是不斷累積的。這種累積積累到一定的程度時，裂紋彼此貫通，開始不穩(wěn)定擴(kuò)展，聲發(fā)射率很高，達(dá)到極值。圖9 循環(huán)過程聲發(fā)射頻度的局部放大Fig.9 Enlarged part of AE rate in cyclic process5 結(jié)論(1) 循環(huán)荷載作用下巖石的軸向應(yīng)變發(fā)展可以分為3個階段：初始階段、等速階段和加速階段。等速階段占了疲憊壽命的盡大部分，是疲憊發(fā)展的主要階段。? 1814 ? 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2021年(2) 橫向應(yīng)變的發(fā)展可以分為兩個階段：第一階段橫向應(yīng)變發(fā)展緩慢；臨近破壞時忽然加速，應(yīng)變增長很大，占整個應(yīng)變總量的90%左右。(3) 上限應(yīng)力對軸向應(yīng)變的發(fā)展

20、影響明顯。提高上限應(yīng)力會提高第一和第三階段應(yīng)變在整個應(yīng)變發(fā)展中的比率，也會提高等速階段的應(yīng)變發(fā)展速率，從而加速破壞過程，但不影響軸向應(yīng)變發(fā)展的3個階段規(guī)律。(4) 等幅循環(huán)荷載作用下的軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律和損傷規(guī)律是一致的，不同階段之間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)一致。軸向應(yīng)變是衡量損傷很好的宏瞧指標(biāo)。參考文獻(xiàn)1 葛修潤，盧應(yīng)發(fā). 循環(huán)荷載作用下巖石疲憊破壞和不可逆變形問題的探討J. 巖土工程學(xué)報(bào)，1992，14(3)：56602 沈明榮. 巖石力學(xué)M. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999，22253 Fairhurst C E，Hudson J A. 單軸壓縮試驗(yàn)測定完整巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線ISRM建議方法草案J. 巖

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