基于超声检测的软岩单轴流变损伤试验

第45卷第5期2017年10月煤田地质与勘探COAL GEOLOGY & EXPLORATIONVol. 45 No.5Oct. 2017文章编号：1001-1986(2017)05-0105-07基于超声检测的软岩单轴流变损伤试验吴春、郭棋武\洪涛2,陈沉江2(1.湖南中大建设工程检测技术有限公司，湖南长沙410205;2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)摘要：采用软岩相似材料进行了 2种不同流变加载方式下的单轴流变损伤破坏试验，并通过超声 检测技术获得了软岩在各级流变阶段的超声信号。

试验结果表明：软岩相似材料具有强烈的黏、弹、塑性变形特征，选用西原模型对软岩各级流变过程进行模拟较为合适；当应力达到或超过软 岩试件单轴抗压强度的80%时，纵波波速曲线才会在流变过程中持续下降，出现可检测损伤迹象，而首波振幅曲线波动大，检测结果不准确；以波速定义损伤变量，得到了软岩流变过程损伤演化 曲线。

试验结果能为软岩工程长期流变下的结构穗定性提供依据。

关键词：软岩；单轴流变；损伤；超声检测；波速中图分类号：TU455 文献标识码：A D O I: 10.3969/j.issn.l001-1986.2017.05.019 Uniaxial rheological damage experiment of soft rock based on the ultrasonic testingWU Chun1,GUO Qiwu1,HONG Tao2,CHEN Yuanjiang2(1. Hunan Zhongda Construction Engineering Technical Testing Co. Ltd., Changsha 410205, China',2. School o f R esources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 4100S3, China) Abstract: The uniaxial rheology damage and failure tests o f soft rock were done under two different loading modes, and the ultrasonic signal o f each rheology process was monitored by ultrasonic detector. The test results were as follows: soft rock exhibited the obvious sticky, elastic and plastic characteristics and using visco-elastoplastic model to simulate every rheology process o f soft rock was suitable; when the stress reached or exceeded 80% o f soft rock uniaxial compressive strength, the longitudinal wave velocity curve would have sustainable down trend in the rheology process and the damage signals could be detected，but the amplitude curve o f first wave was not ac_ curate; the damage evolution curve o f rheology process could be got through defining damage variable by velocity. The results could provide basis for the structure stability o f soft rock engineering during long-term rheological process.Keywords: soft rock; uniaxial rheology; damage; ultrasonic testing; wave velocity软岩作为一类特殊的岩体，具有松软弱等特征，在流变过程中内部微裂隙及微孔隙易随着外部应力 的作用而扩展，并导致新微缺陷的产生，在新旧微 缺陷的耦合作用下最终导致岩石的宏观破坏[1_2]。

岩 石的破坏过程本质上是一个时效性的损伤迭加过程。

损伤变量作为一个热力学内变量，无法通过试 验直接测量，但考虑到损伤必然引起一些物理量参 数的变化，所以在实际研究中往往通过其他表示方 式来间接地表示损伤变量的值，借此描述岩石损伤的程度[3_6]。

目前，一些研究主要依据岩体流变参数 随时间逐渐弱化的事实，通过引人损伤变量来修正 流变模型中定常参数，使之成为随时间增长而发生 变化的非定常流变参数，从而达到修正线性流变本 构模型、建立非线性蠕变损伤本构模型的目的。

例 如：许宏发等[7]根据软岩的单轴压缩蠕变试验，讨 论了软岩强度和弹性模量的时间效应问题，分析了 岩石损伤的时间效应，提出了长期弹模和长期损伤 变量的概念；范庆忠等[8]通过对单轴压缩条件下软收稿日期：2016-10-07基金项目：国家自然科学基金项目(51274251)Foundation item：National Natural Science Foundation of China(51274251)第一作者简介：吴春(1983_),男，湖南洞口人，工程师，从事工程检测及岩土工程监测方面的研究.E-mail: 69654521@通讯作者：陈沉江(1970—)，男，湖南湘潭人，博士，副教授，从事岩土与环境安全工程方面的研究工作.E-mail: cyjsafety@引用格式：吴春，郭棋武，洪涛，等.基于超声检测的软岩单轴流变损伤试验[J].煤田地质与勘探，2017, 45(5): 105-111.WU Chun, GUO Qiwu, HONG Tao, et al. Uniaxial rheological damage experiment of soft rock based on the ultrasonic testing[J]. Coal Geology & Exploration, 2017, 45(5)：105-111.•106 •煤田地质与勘探第45卷岩轜变曲线的分析，在Burgers模型基础上引入损伤变量和硬化函数，建立了软岩轴向和横向的非线性蠕变模型。

近年来，伴随着损伤检测技术的发展，无损检测设备开始应用于岩石损伤的检测。

相比于损伤理论研究，无损检测技术不仅可以了解岩石的损伤现象，而且提供了对岩石损伤变量描述的试验支持。

范秋雁等[9]以南宁盆地泥岩为研究对象，进行了一 系列单轴压缩无侧限蠕变试验和有侧限蠕变试验来分 析泥岩的蠕变特性，配合扫描电镜，着重分析了泥岩 蠕变过程中细观和微观结构的变化。

谢卫红等[1()]采用 带扫描电镜的岛津SE M高温疲劳试验机系统对高 温作用下的石灰岩在不同加载方式下细观结构进行 了实时试验研究；丁靖洋[11]等借助盐岩单轴流变- 声发射试验，分析了流变3个特征阶段与声发射事 件数的对应关系，并基于W eibull分布构建了声发 射事件数随加载时间的关系式，进而获得了损伤变 量的演化关系式。

以上研究借助无损检测技术给出 了岩石流变不同的损伤变量描述，进而在此基础上 建立了不同的岩石损伤演化方程及本构方程描述岩 石的非线性力学特性，为岩石工程中的力学分析计 算提供了一种新的思路与方法。

本文采用超声检测技术进行了软岩相似材料的 单轴压缩流变损伤破坏试验的检测，分析分级增量 加载方式和分级增量循环加卸载下的软岩流变特性 和不同流变阶段的超声信号，构建了软岩的西原模 型，并试图以波速定义损伤变量，以期得到不同加 载方式下的软岩流变过程损伤演化曲线。

成果可以 为工程软岩结构的超声波无损检测提供借鉴与参考，防止岩土工程灾害的发生。

1软岩单轴流变损伤检测试验1.1相似材料试件的制备试验选用文献[12]中的YA3组相似材料配比模 拟直罗组砂岩，即选用普通河沙(直径小于2 mm)作 为粗骨料，普通硅酸盐水泥及石膏作为胶结材料，试验用水为自来水，材料配比为砂：水泥：石膏= 0.82 : 0.16 : 0.1(质量比)，水胶比为0.5 :1，砂胶 比为3.1 : 1，未加早强剂。

参考国际岩石力学试验 规程制作长方体试件，尺寸为70 mm><70 mm><140 mm,试件成型后在试验室自然养护28 d后进行试 验，模具及试件样品如图1所示。

1.2试验仪器设备试验采用的主要仪器设备：RYL-600型微机控 制岩石剪切流变仪，主要用于岩石和岩石弱面的流图1模具及试件Fig.l Mould and specimen变试验，也可用于岩石直剪、岩石单轴压缩、岩石 双向压缩等试验；RSM-SY5(T)非金属超声波检测 仪要用于岩体或其他非金属与金属试样的检测、超 声回弹测混凝土强度、混凝土裂缝检测和基桩完整 性检测等，配备了一对50 k H z的换能器用于测定 超声波穿过试件后的纵波波速。

1.3软岩单轴流变过程超声检测试验单轴流变试验前，在同一批次的试件中，挑选 3个进行单轴抗压试验，得到单轴抗压强度值，取 平均值作为试样单轴抗压强度参考值。

流变试验采 用2种流变加载方式：一是分级增量加载，流变过 程中无卸载过程，分别按单轴抗压强度参考值的10%、20%、30%、40%、50%、80%和 90%的比例 进行加载，加载压力分别为3.095 kN、6.19 kN、9.285 1kN、12.38 kN、16 kN、24 kN、32 kN;另 一加载方式为分级增量循环加卸载，按照单轴抗压 强度参考值的10%、20%、40%、60%和80%的比 例分级加卸载，加载压力分别为1.57 kN、3.141 kN、6.282 kN、9.423 kN、12.564 kN〇其中，每一级加 载速度为100 N/s，卸载速度为300 N/s。

考虑到流 变试验时间长，而试验者每次检测都是徒手固定超 声换能器，为确保每次检测时换能器所在位置相同，在试件两侧面分别画2条横线，将试件分成 上、中、下3个检测区域，如图2所示。

试验过程中图2换能器安放位置划分示意图Fig.2 Position of transducer懲第5期吴春等：基于超声检测的软岩单轴流变损伤试验• 107 •9.4236.2823.1412 -1.570 50100150 200时间/h图3软岩单轴流变压力-时间曲线Fig.3 Uniaxial rheological pressure-time curve of soft rock 3.5「进行超声检测，每一级加载时，第1个小时前30 min 采样间隔为5 min ，后30 min 采样间隔为10 min , 第2个小时每20 min 采集一次超声数据，第3个小 时每30 min 采集一次超声数据，之后每1 h 采集一 次超声数据。