动静组合加载下岩石破坏的声发射实验*

王其胜,万国香,李夕兵

（1.嘉应学院土木工程系,广东 梅州 514015;

2.嘉应学院物理与光信息科技学院,广东梅州 514015;

3.中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙 410083）

1 引 言

当岩石、混凝土等脆性材料受外力或内力作用时,在变形和破裂过程中伴随着声、电磁、光等物理现象,其中以弹性波形式释放的应变能现象称为声发射（acoustic emission,AE）。声发射作为一种无损检测技术,是研究脆性材料失稳破坏演化过程的良好工具,能够对岩石等脆性材料内部损伤的产生和扩展进行连续、实时监测,并能够实现对其破坏位置的定位,这是其他任何监测方法都不具有的优点,因此被广泛应用于岩石、混凝土等材料的破坏研究。真正意义上的声发射研究以1953年德国物理学家Kaiser所做的工作为标志。之后,人们对不同载荷下岩石破裂过程中的声发射及其应用开展了大量的理论和实验研究,取得了丰硕的成果[1-3]。

大量的实验结果表明,岩石破裂的声发射特征是与岩石性质、加载条件等密切相关的。V.Rudajev等[4]通过对单轴压缩条件下岩石的声发射研究,认为声发射时间系列参数包含了有关应力率和岩石破裂阶段的重要信息,这些参数显示出了稳定的前兆特征。李庶林等[5]对单轴压缩下岩石的声发射研究结果表明,在弹性阶段的初期和后期,随着应力水平的增加,岩石声发射显著增加,特别在弹塑性高应力阶段,岩石声发射增长迅速;岩样在实验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,声发射事件率出现明显下降,即出现相对平静阶段;声发射事件率在不同应力水平变化很大,峰值强度后的声发射现象仍然明显,其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。L.G.Tham等[6]通过实验和数值模拟研究发现,单轴拉伸下岩石声发射特征可分为3个阶段:（1）随机分布的声发射信号,（2）破裂带的出现,（3）主破裂的发生,并且花岗岩的微破裂聚结现象比大理岩更加明显,非均质性的差异是导致拉应力下岩石声发射特征不同的主要原因。张流等[7]的研究结果表明,低围压易于产生张性破裂,张性破裂会伴随较高的声发射率,主破裂后声发射很少;随着围压的提高,剪切破裂占主导地位,使得声发射率降低,但破裂后声发射率保持较高的水平。

综观以上这些研究,基本上是基于材料受静应力下的声发射,虽然也有一些研究者考虑了不同围压下材料的声发射[8-14],但都没有进行动静组合加载下岩石的声发射研究。本文中在霍普金森实验系统上进行声发射实验,对于纯动载下的声发射作者已经另作研究,在此基础上对动静组合加载下声发射能量特征进行详细深入的分析。

2 静载下岩石的声发射

为了与动载组合加载下岩石声发射相对比,在INST RON1342型液压伺服刚性实验系统上,采用PCI-2型声发射仪进行单轴压缩下的声发射实验。试样材料选用完整性和均匀性均较好的花岗岩,制备试样的岩块在取材、岩层分布上都力求一致。按照单轴压缩加载条件的要求,试样的设计尺寸为:直径50 mm,长径比为2。每个试样端面和圆周都进行仔细研磨,两端不平行度小于0.02 mm,圆周与端面的不垂直度小于0.02 mm。

单轴静载下声发射能量随应力的变化如图1所示。从图1可以看出,在加载初期,有少量小能量的声发射事件出现,这是岩石内部初始裂纹闭合产生的;在50～100 MPa时,随着应力继续增大,声发射能量却比较平稳,增大量较小,这对应着岩石应力应变的弹性段,此时岩石内部没有出现大的裂纹;随着加载的继续进行,岩石过了弹性段,进入损伤阶段,在声发射能量达到最大值时,相比于弹性段,声发射能量有一定的下降,然后,声发射能量增加迅速,在应力最高点附近,声发射能量达到峰值,岩石发生破坏。值得说明的是,本文中声发射能量并不是绝对能量,而是声发射系统自身处理以后的相对能量,为量纲一量。在相对能量为零处,绝对能量并不为零,只是所对应的能量值相对较小。

图1 静载下岩石声发射能量随应力的变化Fig.1 AE energy of rock varied with stress under static load

3 动静组合加载岩石实验

3.1 实验系统

经过近3年的设计、安装与改造,在原来SHPB实验系统的基础上,增加了轴向静压装置,构成了基于SHPB原理的动静组合加载实验系统,进一步在该系统上安装声发射仪,动静组合加载条件下的声发射采集系统如图2所示。

图2 动静组合加载下岩石声发射实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of AE test device of rock under coupled static-dynamic load

3.2 实验方案和步骤

动静组合加载实验方案分2种进行:第1种方案采用相同冲击动载,不同轴向静载。实验步骤如下:（1）确定一冲击动载水平,采用半正弦波作为加载波形,选定冲击气压和冲头冲击速度;（2）将声发射探头安装在试件上,做好探头与试件间的润滑;（3）放置试样于应力传递装置的2根弹性杆之间,启动声发射采集系统;（4）施加预定轴向静载,并记录对应的轴向载荷的声发射信号;（5）静载加到预定值,停止声发射采集,数据存盘后,重新启动声发射仪,等待触发;（6）启动冲头发射机构,发射冲头,声发射和应变仪数据采集系统采集信号、存盘。第2种方案采用相同轴向静载,不同冲击动载。该方案的实验步骤与方案1大部分相同,只是保持轴向静载不同,每次改变冲击动载。

3.3 实验结果

3.3.1 相同动载不同静载下花岗岩声发射

实验采用的冲击动载为200 MPa,轴向静载σa=27,54,72,90 MPa（分别相当于试样静压强度峰值的25%、50%、67%、84%）进行实验。每组测试重复5个试样。

相同动载不同静载下花岗岩声发射能量随时间的变化如图3所示,图中分别给出了轴向静压为27、54、72、90 MPa,动载为200 MPa下声发射能量的变化。从图 3可以看出,在90 μs（此时为峰值应力）时,有一个很大的声发射能量出现,在这个最大值（峰值）之前大的声发射信号几乎没有,这是由于冲击载荷速度很快,在应力达到最大值时,小裂纹来不及发展,当冲击载荷达到一定值时,岩石产生大的裂纹,声发射探头捕捉到这个信号,就出现了图中的能量峰值。在峰值能量之后,岩石强度达到了最大值,但并没有完全破坏,还具有一定的承载能力,应力波继续在岩石内部传播,裂纹进一步扩展,直到最后完全破坏。

图3 花岗岩在动静组合加载下声发射能量变化Fig.3 AE energy variation of granite under coupled static-dynamic load

从图3还可以看出,峰值能量后的第1个能量值与峰值能量基本属一个量级（104）,能量继续衰减后,没有出现回升现象,这与另一种加载方式的能量特征是不同的。

需要说明的是,尽管SHPB力学系统与声发射采集系统的采样点所对应的时间并不一一对应,但是从信号产生到结束,两者所对应的总时间长是相等的,这样经过计算得到,在应力峰值的附近,声发射能量达到峰值。

动静组合加载条件下,在声发射能量峰值出现之前,出现了不同程度的声发射能量值。说明在预应力作用下,加上动载耦合作用,岩样已经有一定损伤,出现了裂纹。声发射能量峰值前出现的声发射信号（这里指能量峰前声发射能量的最大值,为方便起见,下面称为峰前声发射能量）随轴向静载的变化如图4所示,在静载荷小于54 MPa时,这个值随着静载的增大缓慢增大,在超过54 MPa时,该值急剧增大。静载小于54 MPa基本位于岩石弹性段,而超过54 MPa后岩石已经进入损伤阶段,加上一个小的冲击力岩石内部就很容易出现较大裂纹,也就是说当轴向静载位于岩石弹性段岩石强度增强,而静载超过弹性段,岩石发生劣化使得裂纹提前出现。

花岗岩声发射峰值能量随轴向静载的变化规律如图5所示,从图中可以看出,声发射峰值能量随轴向静载增大而减小,这是由于轴向静载对岩石产生了预损伤。

图4 固定动载不同静载下花岗岩峰前声发射能量随轴向静载的变化Fig.4 AE pre-peak energy variation with axial static load under fixed dynamic load and axial static load

图5 相同动载不同静载下花岗岩声发射峰值能量随静载的变化Fig.5 AE peak energy variation with static load under fixed dynamic load and different axial static load

3.3.2 相同静载不同动载下花岗岩声发射

图6 相同静载不同动载下花岗岩声发射能量随应变的变化Fig.6 AE energy of granite varied with strain under fixed static pressure and different dynamic load

在固定预应力、不同动载下,花岗岩峰前声发射能量值随动载应变率的变化如图7所示,从图中可以看出,这个声发射值随动载应变率增大而下降,也就是说,提高冲击载荷值并不能使岩石产生大的裂纹和损伤,相反,由于动载应变率的提高,岩石强度升高,使岩石在一开始不容易产生损伤。

声发射峰值能量随动载应变率的变化如图8所示,从图8可以看出,声发射能量峰值随岩石动载应变率增大而减小。入射应力波速度越大,应力波幅值越大,岩石受载后破碎程度就越大,这说明声发射能量与岩石破碎的程度密切相关,岩石破碎程度越大,其能量越小。

图7 固定静载不同动载下花岗岩峰前声发射能量随动载应变率的变化Fig.7 AE pre-peak energy variation with dynamic strain rate under fixed static load and different dynamic load

图8 固定静载不同动载下花岗岩声发射峰值能量随动载应变率的变化Fig.8 AE peak energy variation with dynamic strain rate under fixed static load and different dynamic load

4 能量规律与岩石破碎程度的关系

动静组合加载下花岗岩声发射能量呈现出2种不同的特征。Ⅰ型特征和纯动载一样,在声发射能量峰值后出现了“拐点”,如图6所示;Ⅱ型特征,声发射能量达到峰值后开始减小,但并不像纯动载那样立刻衰减到一个很小的值,衰减后的第1个值和峰值属同一量级（104）,而且之后没有出现“拐点”,如图3所示。相同动载不同静载下,大部分岩样声发射规律属于Ⅱ型特征;相同静载不同动载下,大部分岩样声发射规律属于Ⅰ型特征。开始,我们认为这可能是岩石的离散性导致的结果,然而通过对岩石破碎的块度进行分析后发现,不论何种加载条件,如果岩石受载后完全破碎,声发射能量呈现Ⅰ型特征,如果岩石受载后没有完全破碎,只是岩样表面出现小裂纹,声发射能量呈现Ⅱ型特征。这说明动静组合加载下岩石声发射能量规律与岩石破碎程度关系密切。在实验中,我们发现,相同动载不同静载下,大部分岩样只是表面出现了裂纹;相同静载不同动载下,大部分岩样完全破裂,这就能解释为什么2种加载方案出现2种不同的能量特征。

在实验过程中,有些岩样冲击后仍然保持完好,并没有发生破裂,这种情况也探测到了丰富的声发射信号,而且声发射峰值能量甚至比破裂岩石所记录到的值更大。如采用冲击载荷为2 MPa时,编号为10-2的混合花岗岩仍然完整,其声发射峰值能量为48 245,而破裂岩石的声发射峰值能量基本在4 000以下。这些实验结果表明,动静组合加载下岩石声发射能量所呈现的Ⅱ型特征,事实上是岩石存在预损伤情况下应力波信号的反映。

W.Goldsmith等[15]对大理岩、玄武岩等火成岩及一些沉积岩、变质岩和混凝土杆,用圆球冲击的研究结果表明:当冲击速度大于某一值时应力波即产生衰减,衰减到一定幅值后,衰减随传播距离而显著减小。K.O.Hakailehto[16]在他早期的博士论文中给出了应力波在岩石中衰减的模型。他认为:当加载应力大于岩石初始破裂应力时,岩石内部裂纹的扩展将导致应力波沿岩杆传播时幅值的衰减,所以导致记录到的声发射值比未破裂岩石的值更小。

对于破碎岩石,声发射能量之所以出现“拐点”,是由于一方面振动信号在岩石内部传播发生衰减,当岩石内应力达到一定的值时,岩石产生了损伤,出现了与静载一样的大破裂声发射信号,这个信号和衰减后的振动信号叠加在一起,就出现了“拐点”。

对于非完全破碎岩石,声发射能量没有出现“拐点”,而是在峰值后出现第2个仅次于峰值的能量高值。对于非完全破碎岩石,岩石中心部分仍然完整,没有破碎,而岩石表面出现了较大裂纹,有些边缘部分已经剥落,这些较大的表面裂纹也会产生较大的声发射信号。正因为岩石没有完全破坏,应力波信号衰减幅度比完全破碎岩石要小得多,所有衰减后的应力波信号和表面裂纹的信号叠加在一起就出现了第2个能量高值,并不出现“拐点”。对于没有发生破裂的岩石,声发射信号即是应力波信号的反映,是否出现“拐点”或者第2个能量高值需要进一步论证。

5 结 论

（1）岩石在动静组合加载下声发射呈现出与静载完全不同的规律,在声发射能量峰值前声发射信号较少,这是由于冲击载荷速度太快,小裂纹来不及发展所致。（2）在动静组合加载下的声发射能量呈现2种特征,与岩石破碎程度密切相关。加载后岩石基本完全破碎,则其声发射能量呈现Ⅰ型特征;加载后岩石没有完全破碎,则呈现Ⅱ型特征。（3）相同动载不同静载下,当静载荷小于54 MPa时,声发射峰前能量随静载的增大缓慢增大;当静载荷超过54 MPa时,声发射峰前能量急剧增大。声发射峰值能量随轴向静载增大而减小,说明轴向静载对岩石产生了预损伤。（4）相同静载不同动载下,声发射峰前能量随动载应变率增大而下降,也就是说提高冲击载荷值并不能对岩石产生大的裂纹使岩石产生损伤,相反由于动载应变率的提高使得岩石强度升高;声发射能量峰值随岩石动载应变率增大而减小,对于完全破碎的岩石来说动载应变率越大,岩石越容易在应力波达到幅值前发生破坏,而声发射正是应力波信号的一种反映,所以探测到的声发射能量峰值越低。

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