单轴多级加载下岩石声发射特性试验研究

冯弟前，郑志琴，余贤斌

(昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

0 前言

岩石在载荷作用下，其内部局部区域产生塑性变形，新生裂纹的产生、扩展，储存的部分能量以弹性波的形式突然释放出应变能的现象，称为声发射［1］。岩石声发射蕴含着岩石材料在破坏过程中的许多信息，诸如声发射数、振铃数、能量等参数。根据这些信息在时间、空间上的变化特征，从而了解岩石材料的受力变形、破坏过程，建立起岩石声发射特性与其变形过程的内在联系，揭示岩石及岩石类材料的损伤、破坏机理［2-7］。鉴于声发射理论及其检测技术在边坡治理、矿山岩体稳定等方面的广泛应用［8］，同时对于岩石的声发射特性的研究［9-10］，国内外学者已做了大量的室内研究工作，但大多数只鉴于单轴直接压缩破坏或者循环加卸载试验，对于单轴多级加载声发射试验研究甚少，因此，本文开展岩石单轴多级加载声发射特性试验研究，具有重要的理论研究意义和工程的应用价值。

实际工程中岩体，受力情况比较复杂。对于露天边坡，岩体开挖后，其主要力学状态主要表现为卸载，对于地下巷道，切向为加载，径向为卸载［11］;采矿工作面表现出明显的周期性显现规律，对于地下厂房，常采用分级开挖的方式组织施工。因此，本研究利用昆明理工大学实验室的声发射参数动态测试系统分别对大理岩和花岗岩开展单轴多级加载试验，研究岩石试样在稳载及前后过程的声发射活动规律，为岩石的破坏、失稳提出合理的前兆判据。

1 单轴多级加载声发射试验

1.1 岩石声发射实验系统

本试验采用SDAES型数字声发射仪。该声发射监测系统充分利用了计算机与A/D转换器高速运转的特点，将频率较高的声发射参数适时采入。加载过程中岩石试样内所产生的声发射信号首先通过绑缚在上面的压电陶瓷换能器获得(声发射探头与试样之间用黄油耦合)，信号经前置放大器放大后转送到声发射信号处理器，形成声发射数、振铃数、能量数、延续时间等参数，对试样所施加的外荷载与试样产生的变形通过荷载传感器和电阻应变计进行测量，测量结果均输出至动态应变仪进行放大，再经多通道外参数采集器(A/D变换器)变换为数字信号，最后与声发射信号一道由计算机记录存储，在计算机中进行人工处理。本试验原理装置示意图见图1。

图1 试验装置

1.2 试验方法

选用比较完整的花岗岩和大理岩进行单轴多级加载试验时，每加载到10，20，30，40 kN时稳定荷载1次，即在每级加载完成后保持荷载不变，稳定一段时间后重新加载，本试验稳载时间为2 min。保持加载过程与声发射监测同步进行，研究岩石在加载过程中的变形特征及声发射参数与时间的变化特征。

2 试验结果及分析

2.1 大理岩试验结果及分析

在全部试验的岩样中，岩样受力变形特点大体相近，图2～5为大理岩典型应力—应变和声发射全过程特性试验结果，具有岩石单轴压缩破坏过程中典型的声发射特征阶段。

图2 大理岩岩样应力—应变关系

孔隙压密阶段:即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形。OA阶段，应力—应变关系曲线出现细微波动，在本阶段中变形不明显，应力从0 MPa加载到7.86 Mpa，应变从0 增加到136.81 με(微应变)，该过程所经历的时间为212.45 s。在此阶段有少量的声发射产生，这是因为岩石中原有的裂隙被压密或有少量微破裂的原因。

图3 大理岩应力、累积AE能量与时间关系

图4 大理岩应力、累计声发射数与时间关系

图5 大理岩应力、累计AE振铃数与时间关系

弹性变形阶段:继续对试样加载，进入了AB阶段，此阶段应力—应变曲线保持线性关系，曲线比较光滑完整。声发射活动较少，甚至没有。

塑性强化阶段:当加载到B点时，应力—应变曲线出现了异常，应力—应变曲线不再保持良好的线性关系，此时的应力达到12.69 MPa，继续对岩石试样加载，到达C点，此时的应力为15.87 MPa，应变从197.45 με 增加到264.54 με，所经历的时间为40.97 s，应变量较之前的增加较大。此时，声发射明显。应力增加到 16.29 MPa，应变从 264.54 με增加到412.03 με，根据这一特征可以将BC段判断为岩石试样进入了塑性强化阶段。

到达C点后，继续对试样加载，应力从C点的15.87 MPa增加到 16.74 MPa，到达 D 点，应变由264.54 με 增加到 429.35 με，所经历的时间为10.35 s，由此可以判定岩石进入裂纹的非稳定扩展至破坏阶段，出现扩容现象，这一现象是由岩石内部裂隙扩展造成的，出现在宏观破坏之前。继续对岩石加载，从D点到达E点至F点和G点，曲线斜率有所增加，但增加并不明显，可以将CG段看作岩石的扩容阶段。

随着对岩石的加载，到达GH阶段，在此阶段，应力—应变曲线斜率迅速增大，并且增大的幅度较大，也就是说，当应力增大，应变增加并不明显，岩石内斜交或平行加载方向的裂隙扩展迅速，裂隙进入不稳定发展阶段，声发射活动急剧增多。裂隙扩展接交形成滑动面，最终导致岩石试件完全破坏。

分析大理岩的试验结果，声发射活动有以下活动规律。

1)在加载初期，AE能量、AE振铃数水平较低(见图4～5)，声发射数较少(见图4)。单轴多级加载每级荷载稳压时，累计AE能量、累积声发射数、累积AE振铃数基本稳定(见图3～5)，曲线近似水平，表明稳压阶段试样内原有裂纹未发展、新生裂纹少、声发射水平较低。随时间的延长，即随轴向荷载的增加，曲线斜率总体上表现为逐渐增大，表明试样内裂纹逐渐增多或其内在裂隙逐步贯通。当轴向荷载达到试件的最大承载力时，试件破坏。

2)室内单轴多级加载每级荷载稳压时声发射水平较低，但对个别的试样的稳压阶段，开始稳压时，声发射水平低，但稳压一定时间后，声发射会突然集聚增多，然后声发射活动又逐渐恢复到较低水平，而荷载稳定后继续加载时声发射现象明显增强，在一定程度上反映工程在分级开挖时应力调整前后声发射的变化趋势。

3)在对大理岩进行单轴多级加载，多数试样在临近峰值点时声发射活动活跃情况有所减缓。说明在对大理岩进行室内单轴多级加载试验时，加载到一定程度后出现声发射活动减缓的现象，预示着岩石峰值破坏的来临。

稳压后对岩石进行加载，在加载初期，声发射活动不是呈现突然集聚增加，而是逐渐增加到集聚增加的过程。

2.2 花岗岩试验结果及分析

图6～9为花岗岩典型应力—应变和声发射全过程特性试验结果。

图6 花岗岩岩样应力—应变关系

图7 花岗岩应力、累计AE振铃数与时间关系

图8 花岗岩应力、累计AE能量与时间关系

从花岗岩岩样的应力—应变曲线(图6所示)可以看出:从加载到应力达到39.42 MPa时，纵向变形和横向变形的线性度都比较好，但当应力超过39.42 MPa后，应力—应变曲线发生偏离，说明岩石有裂纹产生，由裂纹的影响，体积变形曲线的数值也由正值转向负值。横向电阻应变计被拉断，继续对花岗岩岩样加载，岩石表现为位于峰值应力点的突然脆性破坏。

图9 花岗岩应力、累计声发射数与时间关系

分析花岗岩的试验结果，发现声发射活动有如下规律。

1)对花岗岩开展室内单轴多级加载试验，其声发射活动与大理岩的单轴多级加载试验相似，在加载初期，声发射水平较低，没有明显的声发射现象。表明岩石中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，至于不明显的原因可能是因为大理岩、花岗岩岩石坚硬少裂隙的缘故。

2)从花岗岩应力、累计AE振铃数与时间关系曲线(图7所示)中可以看出:在稳压阶段，累计AE振铃数基本稳定，但在最后1个稳压阶段(岩石破坏前的稳压阶段)，应力保持不变，累计AE振铃数呈增长趋势;累积AE能量基本稳定(图8所示);但累积声发射数增加明显(图9所示)，在这个稳压阶段，有明显的声发射活动，声发射水平较高，表明试样内新生裂纹在载荷稳定时却继续发展。继续增加载荷，当轴向荷载达到试件所能承受的最大承载力时，试件破裂。

由以上研究结果可以看出:当岩石或者岩体临近峰值破坏时，声发射现象会变缓或者急剧增加。因此，鉴于声发射在边坡工程、采矿工程、水利水电工程等方面的应用，应该掌握声发射监测时机，加强开挖前后声发射监测，为现场岩体稳定性监测与预报判据提供借鉴和思路。

3 结论

1)对大理岩和花岗岩开展室内单轴多级加载试验，在加载初期，两者声发射活动基本相似，没有明显的声发射现象，表明岩石中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合。

2)在稳压阶段，对大理岩而言，开始稳压时，声发射水平低，但稳压一定时间后，声发射会突然集聚增多，然后声发射又逐渐恢复到较低水平，而荷载稳压后继续加载时，声发射现象明显增强，在一定程度上反映分级开挖时应力调整前后声发射的变化趋势。对花岗岩而言，多数稳压阶段的声发射活动规律与大理岩相似。

3)在对大理岩进行单轴多级加载，多数试样在临近峰值点时，声发射活动活跃情况有所减缓，预示着岩石峰值破坏的来临。

4)从花岗岩应力、累计AE振铃数与时间关系曲线中可以看出:在稳压阶段，累计AE振铃数基本稳定。在最后1个稳压阶段(岩石破坏前的稳压阶段)，应力保持不变，累计AE振铃数呈增长趋势;累积AE能量基本稳定，但累积声发射数增加明显，在这个稳压阶段，有明显的声发射活动，声发射水平较高，表明试样内新生裂纹在载荷稳定时却继续发展，也是岩石峰值破坏的前兆。

［1］王昌，周宗红.砂岩单轴循环加卸载试验及声发射特征研究［J］.中国钨业，2014，29(3):1－4.

［2］李庶林，尹贤刚，王泳嘉，等.单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(15):2499－2503.

［3］张茹，谢和平，刘建锋，等.单轴多级加载岩石破坏声发射特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(12):2584－2588.

［4］李庶林，毛建华，桑玉发.基于岩体声发射参数的竖井围岩稳定性分析［J］.中国有色金属学报，1998，8(2z):753－757.

［5］谢强，张永兴，余贤斌.石灰岩在单轴压缩条件下的声发射特性［J］.重庆大学学报，2002，24(1):19－22.

［6］余贤斌，谢强，李心一，等.直接拉伸、辟裂及单轴压缩实验下岩石的声发射特性［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(1):1－6.

［7］Lei X L，Nishizawa O，Kusunose K，et a1.Compressive failure of mudstone containing quartz veins using rapid AE monitoring:the role of asperities［J］.Tectonophysics，2000，328(3/4):329 －340.

［8］付小敏.典型岩石单轴压缩变形及声发射特性研究［J］.成都理工大学学报(自然科学版)，2005，32(1):17－21.

［9］尹贤刚，李庶林，唐海燕，等.岩石破坏过程的声发射特征研究［J］.矿业研究与开发，2003，23(3):9－11.

［10］谢和平.分形—岩石力学导论［M］.北京:科学出版社，1996.

［11］邓琦.砂岩在单轴压缩条件下的声发射特性研究［J］.矿冶工程，2010，30(3):4－8.