基于声发射（Acoustic Emission, AE）技术的深冻井筒CA-UHPC在水-力耦合作用下的损伤演化机制

《Case Studies in Construction Materials》：Damage evolution mechanism of CA-UHPC in deep frozen shafts under hydro-mechanical coupling based on AE technology

　　

为应对深冻井筒衬砌在高渗透压作用下发生破坏的关键工程挑战，该研究采用应力-渗流耦合试验，系统研究了粗骨料超高性能混凝土（Coarse Aggregate Ultra-High-Performance Concrete, CA-UHPC）在不同渗透压条件下的水-力损伤演化规律。试验在模拟高地应力条件下进行，利用声发射（Acoustic Emission, AE）技术监测力学响应与AE参数的演化过程，进而分析渗透压对裂纹扩展机制的影响，并评估AE参数作为衬砌失效前兆的潜力。具体结论如下：（1）在高围压条件下，CA-UHPC的渐进破坏经历四个 distinct 阶段：线弹性变形、稳定裂纹扩展、非稳定裂纹扩展以及峰后应变软化。随着渗透压增大，第一阶段和第二阶段的占比减小，而第三阶段占比扩大。此外，裂纹启始应力与弹性模量均呈减速率的非线性递减，而峰值应力则呈指数下降。（2）AE参数的演化与CA-UHPC的损伤阶段直接对应，呈现出典型的"静默—活跃—减速"模式。较高的渗透压加剧了AE能量释放，从而降低了b值阈值并扩大了其波动范围。该参数的变化表明裂纹机制由小规模拉伸事件向大规模劈裂裂纹转变，从而增强了试样破坏的突发性。（3）基于Kneedle算法的AF-RA（平均频率-上升时间/振幅）相关分析表明，劈裂拉伸裂纹是CA-UHPC内部的主导破坏机制。随着渗透压增大，该类裂纹的总体比例上升，推动宏观破坏模式由剪性主导的低角度共轭剪切破坏逐渐向具有显著劈裂特征的大角度混合拉伸-剪切破坏转变。对于任一给定渗透压，劈裂拉伸裂纹的比例在四个损伤阶段呈"先降后升再降"的演化趋势，这归因于渗透压的"水楔效应"促进了劈裂拉伸裂纹的形成与扩展。（4）渗透压通过劣化CA-UHPC基体强度并驱动裂纹沿优势弱面扩展来启动材料损伤；外部轴向应力则加速裂纹的贯通聚合，形成连续渗流通道，最终导致试样破坏。（5）随着损伤由微裂纹向宏观断裂演化，累积AE能量的急剧激增与b值的持续下降同步发生，这种协同反向演化可作为CA-UHPC井筒衬砌失效的可靠前兆。该研究团队拟针对中国西部深大冻结井筒的支护难题，按照图18所示的技术路线开展系统研究，以推动CA-UHPC的工程应用。

## 研究背景与问题提出

能源安全是国家经济安全与社会稳定的基石。中国作为全球最大的能源消费国，其"富煤、缺油、少气"的资源禀赋决定了煤炭在能源消费结构中的主导地位。在此背景下，"西进深掘"成为国家发展战略的重要方向，新建矿井井筒需穿越超1000米厚的白垩系和侏罗系地层。这些地层普遍具有高含水、弱胶结、低强度的特点，遇水易砂化和泥化，常规凿井方法难以奏效，必须采用人工冻结法等特殊工法。深大冻结井筒在冻融后长期承受高水压、自重及地应力的复合作用，处于复杂的应力-渗流耦合状态。高压水作用于井筒衬砌外壁，促进混凝土基体中既有微裂纹的扩展与贯通，逐渐形成突水通道，引发淹井灾害和衬砌失效，严重威胁矿井安全。以泊江海子矿副井为例，尽管采用了较厚的C70混凝土衬砌，内衬仍出现大量温度裂缝，冻融后井筒涌水量达20–30 m3/h；塔然高勒矿副井采用C80混凝土内衬、冻结深度614米，冻融后马头门连接处上部井筒衬砌在高水压下发生挤压破坏，涌水量约30 m3/h，最终需通过注浆和二次衬砌加固。因此，深入研究井筒衬砌混凝土在高水压等复杂条件下的力学响应与损伤演化机制，对于预防此类灾害具有重大科学意义。

现有高强度井筒衬砌研究 explored 仿钢纤维混凝土、活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete, RPC）等材料，但分别存在纤维抗拉强度低、流动性差、成本高、自收缩大等局限。CA-UHPC通过在RPC基体中掺入高强度粗骨料，在降低成本和收缩的同时不显著削弱力学性能与耐久性，为深部地下支护系统提供了新型解决方案。现有关于地质材料水-力耦合的研究虽取得诸多进展，但多聚焦于脆性材料，而CA-UHPC因钢纤维增强呈现准延性特征，其在渗透压作用下的渐进破坏过程及最终破坏模式尚缺乏深入理解。AE技术作为一种动态无损监测手段，可追踪从裂纹萌生、扩展到宏观破坏的全过程，然而现有研究多集中于常规应力条件或岩石类材料，针对深部地下典型水-力耦合条件下CA-UHPC裂纹扩展与损伤演化的研究仍显不足。此外，AF-RA方法虽广泛用于区分拉剪破坏模式，但缺乏统一且广泛接受的界限划分标准，这一方法学难题制约了裂纹分类的准确性。

## 关键技术方法

该研究采用长春朝阳仪器有限公司制造的TAW-2000计算机控制电液伺服三轴试验机进行应力-渗流耦合试验，该系统配备油泵、水泵、精密压力控制单元及数据采集系统，最大轴向力2000 kN，最大围压30 MPa。声发射信号监测采用北京软岛公司生产的DS9双通道声发射检测仪，配备RS-5A传感器，采样频率2 MHz，前置放大器增益40 dB，信号检测阈值50 dB。裂纹分类采用Kneedle算法客观确定AF-RA分界线，该算法基于曲率概念识别数据转折点的拐点检测方法。试验设计基于某矿地质勘察数据和设计规范，恒定围压10 MPa，渗透压设置1、3、5、7、9 MPa五个水平，每种参数组合3个平行试样。

## 研究结果

### 不同渗透压下CA-UHPC的裂纹扩展与 characteristic 应力阈值

研究人员采用裂纹应变模型确定损伤阈值。与岩石材料和高性能混凝土（High-Performance Concrete, HPC）不同，CA-UHPC在三轴压缩下未出现裂纹体积应变由负转正的过渡，直接跳过孔隙压密阶段进入线弹性变形阶段，反映其优异的密实度和低初始孔隙率。该阶段结束于裂纹启始应力（σ_ci）。随后进入稳定裂纹扩展阶段（Stage II），应力-应变曲线呈轻微上凸的非线性，裂纹体积应变开始降低，至裂纹损伤应力（σ_cd，即扩容应力）结束。第三阶段为非稳定裂纹扩展阶段，应力-应变曲线明显上凸，体积应变由压缩转为扩容，裂纹快速扩展并聚合为宏观断裂，于峰值偏应力（σ_d）处结束，此时渗透压的劈裂力使断裂相互贯通形成连续渗流通道。第四阶段为峰后应变软化阶段。破坏模式为兼具斜向剪切和轴向劈裂的混合拉伸-剪切断裂，且受渗透压 magnitude 直接影响：低渗透压下为较小倾角的剪切断裂，高渗透压下转为伴随表面基体剥落的复杂混合拉伸-剪切模式。

σ_ci/σ_d和σ_cd/σ_d分别介于0.31–0.59和0.58–0.88，高于文献报道的HPC值，表明CA-UHPC损伤演化中的 critical 应力阈值更高。随渗透压增大，裂纹启始应力呈单指数衰减，弹性模量呈负相关并遵循单指数衰减模型，泊松比呈正相关的S型单调递增趋势，峰值应力指数下降。第三阶段占比扩大，反映材料脆性降低、延性增强，这归因于钢纤维的桥接效应：高渗透压诱导更大的裂纹张开宽度，使跨越裂纹的钢纤维更早、更广泛地发挥作用，有效阻碍裂纹聚合。

### AE测试结果

#### AE能量与累积能量

Stage I中AE活动水平低，能量缓慢释放，累积能量逐渐增加伴有一定波动，源于弱微裂纹的相对滑移和位错引起的脆性变形。Stage II中累积能量缓慢稳步增加。Stage III出现累积AE能量的急剧上升，反映新裂纹大量萌生扩展的能量释放。峰值应力附近AE能量激增，微裂纹聚合为宏观断裂，预示潜在失稳。Stage IV累积能量增长减速，反映纤维桥接的裂纹阻滞效应。渗透压增大加剧能量释放，尤其是Stage III，累积AE能量在渗透压从1 MPa增至9 MPa时约增大一个数量级。

#### 基于Kneedle算法的AF-RA相关分析

研究人员采用Kneedle算法客观确定AF-RA分界线方程AF = k₀ × RA。该算法通过构建数据集K_n（以分界线斜率k为横坐标、对应劈裂拉伸裂纹比例为纵坐标），拟合双指数函数模型（R2 = 0.99），利用曲率下降函数确定最大曲率降对应的膝点横坐标作为分界线斜率。宏观破坏特征显示：1 MPa时为低角度混合拉剪破坏；3–5 MPa时呈典型共轭剪切破坏，主裂纹尖端萌生次级裂纹并以反对称角度扩展形成X形破坏区；9 MPa时劈裂效应主导，产生纵向劈裂拉伸裂纹，与次级裂纹交叉聚合，应力集中导致局部滑移剥落。AF-RA分布表明，劈裂拉伸裂纹比例由62.48%增至83.81%，始终占主导地位，与宏观断裂模式吻合。与RPC的贯穿开裂不同，CA-UHPC呈现更分散致密的裂纹网络，裂纹扩展至骨料时因刚度失配触发骨料啮合效应，阻碍进一步扩展，形成粗骨料啮合与纤维增韧的协同抗裂效应。

各阶段裂纹比例统计显示：四阶段劈裂拉伸裂纹平均比例分别约为70%、40%、80%、70%，呈"降-升-降"趋势。Stage I高比例归因于初始渗透压作用；Stage II拉剪比例相近；Stage III损伤加剧，劈裂拉伸裂纹快速扩展；Stage IV比例下降源于钢纤维滑移导致剪切裂纹比例增加。渗透压增大使各阶段劈裂拉伸裂纹比例略升，显著影响微裂纹机制并改变宏观破坏模式。劈裂拉伸裂纹比例增加标志损伤阶段 onset，可作为井筒衬砌失效的前兆预警。

#### AE b值特征

b值表征地震频率与 magnitude 的关系，反映材料内大小尺度裂纹的相互作用及扩展程度。加载初期b值波动上升，对应微裂纹发育阶段；应力增加后波动幅度增大，既有裂纹扩展、新裂纹萌生；峰值应力前b值逐渐下降，反映微裂纹聚合、大量能量释放；峰值应力附近b值急剧跌落，标志宏观裂纹形成、试样破坏 onset；峰后b值略有波动上升，反映CA-UHPC具有一定残余强度，源于钢纤维桥接效应。b₁（初始上升波动最大值）和b₂（后续锐降最小值）均随渗透压增大而降低，表明渗透压劈裂效应增强，加速微裂纹扩展并导致更大尺度破坏；同时b值整体范围显著扩大，因更高压力驱动众多微裂纹在更短时间内聚合形成宏观断裂，能量突然释入增强了破坏的突发性和不稳定性。

## 讨论

### 水-力耦合下CA-UHPC的微观结构与裂纹扩展机制

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）观察揭示：CA-UHPC基体表面大量C-S-H凝胶有效填充内部孔隙，形成致密微观结构，构成高宏观强度的关键来源。微观断裂特征多样：剪切断裂（斜向裂纹、滑移分离）、拉伸断裂（劈裂裂纹、台阶状花样）、以及混合拉剪应力导致的韧窝群失效。1–3 MPa时以剪切诱导裂纹、滑移分离和拉剪韧窝群为特征，与宏观倾斜剪切破坏一致；5 MPa时剪切滑移分离与小尺度拉伸台阶裂纹共存，围压已不足以约束渗透压，后者逐渐主导导致X形混合拉剪破坏；7–9 MPa时出现更显著的拉伸断裂特征（大台阶裂纹、明显劈裂裂纹），对应大角度混合拉剪破坏。高渗透压下内部裂纹交叉聚合形成连通渗流通道，高压水持续楔入裂纹尖端产生显著的"水楔效应"，降低裂纹扩展的 critical 应力，驱动裂纹沿最小阻力路径（如弱界面过渡区）扩展贯通。外部轴向压力与渗透压形成复杂的耦合作用，轴向应力加速裂纹聚合，渗透压与轴向压应力形成复杂的局部拉剪或压剪应力场，叠加水压对基体强度的劣化效应，易诱发剪切滑移、劈裂裂纹或混合模式断裂，最终导致结构失稳。因此，CA-UHPC的破坏本质上是由渗透压启动损伤、轴向应力驱动失稳的渐进式水-力耦合过程。

### CA-UHPC失稳的AE前兆特征

损伤前兆识别对深部地下工程井筒衬砌失效预测至关重要。尽管AE参数演化随渗透压变化，但临近失稳时模式一致：损伤前AE信号处于低水平，结构整体稳定；达损伤阈值时AE能量显著激增，累积AE能量曲线斜率陡增，b值持续下降，标志裂纹尺度由微裂纹向宏观裂纹质变的内部损伤状态；应力继续增加，裂纹快速扩展聚合形成主宏观断裂，累积AE能量指数增长，b值继续降低趋近最小值，表明大尺度破坏模式主导、承载能力急剧恶化、宏观失稳 imminent。综上所述，AE能量的急剧激增（尤其是累积能量）伴随b值的突然下降，可作为井筒衬砌失稳的可靠前兆，这些参数的协同演化为深部地下井筒结构健康监测与预警系统提供了科学依据。

### 研究结论

（1）高围压下CA-UHPC渐进破坏经历线弹性变形、稳定裂纹扩展、非稳定裂纹扩展和峰后应变软化四个 distinct 阶段。随 Din 渗透压增大，Stage I和Stage II比例减小，Stage III扩大。裂纹启始应力和弹性模量以减速率非线性递减，峰值应力呈指数下降。（2）AE参数演化与CA-UHPC损伤阶段直接对应，呈现典型"静默—活跃—减速"模式。更高渗透压加剧AE能量释放，降低b值阈值并扩大其波动范围，表明裂纹机制由小规模拉伸事件向大规模劈裂裂纹转变，增强试样破坏突发性。（3）基于Kneedle算法的AF-RA分析表明劈裂拉伸裂纹是CA-UHPC内部主导破坏机制。随渗透压增大，其总体比例上升，驱动宏观破坏模式由剪性主导的低角度共轭剪切破坏向具有显著劈裂特征的大角度混合拉伸-剪切破坏转变。任一渗透压下，劈裂拉伸裂纹比例四阶段呈"先降后升再降"演化，归因于渗透压水楔效应促进劈裂拉伸裂纹形成扩展。（4）渗透压通过劣化CA-UHPC基体强度、驱动裂纹沿优势弱面扩展来启动材料损伤；外部轴向应力加速裂纹聚合贯通形成连续渗流通道，最终导致试样破坏。（5）损伤由微裂纹向宏观断裂演化过程中，累积AE能量急剧激增与b值持续下降同步发生，这种协同反向演化可作为CA-UHPC井筒衬砌失效的可靠前兆。