单轴压缩下高温后砂岩的声发射特征

吴 刚 ，王德咏，翟松韬

（1. 上海交通大学 海洋水下工程科学研究院，上海 200231；2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008；3. 上海交通大学 土木工程系，上海 200240）

1 引 言

诸多岩石工程，如核废料处置、煤与油页岩的现场气化、深部矿产资源开采及地热资源开发等，均涉及高温岩石力学问题。高温会改变岩石结构并导致岩石强度和变形特性发生变化。声发射技术是研究岩石类材料失稳、破裂及演化过程的一个良好工具，已被广泛应用于岩石类材料破裂失稳机制的研究。因此，开展温度作用下岩石的声发射特性研究具有学术与工程应用价值。

有关岩石破坏过程的声发射特性，国内外学者已进行了大量的试验研究，取得了丰硕的研究成果[1－5]；近十余年来，岩石声发射的研究领域也得到进一步拓展。吴刚等[6]通过对加、卸荷应力状态下的声发射试验，研究了不同应力状态下岩石类材料破坏的声发射特性。唐春安等[7]运用岩石破裂过程分析 RFPA2D系统，通过对岩石试样中预置的倾斜裂纹扩展过程的数值模拟，研究了材料非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式（声发射和"岩桥"现象）的影响。蒋海昆等[8]研究了高围压和不同温度条件下花岗岩变形破坏及声发射时序特征。李庶林等[9]对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，研究了声发射事件数(AE数)、事件率与应力、时间之间的关系。尹贤刚等[10]通过对岩石单轴受压破坏的声发射试验，建立了岩石破坏声发射强度分维模型。李俊平等[11]在单轴压缩条件下, 分别讨论了4种岩石在考虑渗流和不考虑渗流条件下的声发射特征。张渊等[12]在实验室对温度影响下岩石的声发射现象进行了初步的研究和探讨。Cai等[13]提出一种利用声发射监测数据结合有限元应力分析对岩体强度参数进行反演的新方法，其反算的岩体强度参数与现场测试结果相符合。Ganne等[14]利用声发射技术对岩石峰值前的脆性破坏进行了研究，给出了整个过程中累积声发射能量的4个过程。赵兴东等[15]应用声发射及其定位技术，对单轴压缩载荷下花岗岩破裂失稳过程进行了研究。赵奎等[16]通过单轴压缩岩石声发射试验，确定了Kaiser点并进行了小波分析。武晋文等[17]通过试验研究了花岗岩在三轴压力状态下声发射在中高温（400 ℃以下）作用下的变化规律。He等[18]在室内对真三轴卸荷状态下石灰岩岩爆过程的声发射特性进行了研究。周小平等[19]采用混沌动力学理论研究了岩石的声发射活动规律。

本文通过对经受不同高温作用后焦作砂岩在单轴压缩下所进行的声发射测试，分析了经历不同温度后砂岩的声发射振铃累计数随时间的变化规律以及高温后砂岩的应力-应变与声发射率的关系，对高温后砂岩强度与声发射振铃累计数的关系进行了初步探讨。

2 试验概况

试验所用岩样为取自河南焦作的砂岩，主要成分为石英、长石、云母、炭质、方解石及菱铁矿等。将其加工成高为100 mm，直径为50 mm的圆柱体。其温度划分、编号及加温过程参见文献[20]。结合高温后焦作砂岩的力学性能，本文对其中38个岩样的声发射特征参量进行对比分析。

利用RMT-150B型岩石力学多功能试验系统进行高温后砂岩的单轴压缩破坏试验，同时通过美国PAC公司的LOCAN320声发射仪采集声发射信息。高温后砂岩的单轴压缩破坏试验均采用位移控制模式。试验中设定声发射仪的主放为35 dB，门槛值为45 dB。

试验中声发射采用单通道采集数据，声发射探头位于岩样中部，探头与岩样之间以凡士林作为耦合剂，并用胶带固定于岩石之上，如图1所示。

图1 声发射监测系统示意图Fig.1 Sketch of AE monitoring system

3 高温后砂岩的声发射振铃累计数

焦作砂岩受温度作用后的声发射振铃累计数与时间的关系曲线，如图2所示。图3为不同温度下砂岩的振铃累计数变化关系。

从图2、3可以看出：① 经历100 ℃后，砂岩的声发射振铃累计数最小，表明此时岩样由于热应力作用致使内部缺陷有一定程度的愈合，受压后内部裂纹扩展较为缓慢。②经历100～400 ℃后，砂岩的振铃累计数不断增加，说明随温度升高，在压力作用下砂岩内部裂纹不断发展；400 ℃后，振铃累计数达到最大值。③600 ℃后，砂岩的声发射振铃累计数较400 ℃急剧降低，可能是由于热熔效应导致砂岩内部部分裂纹闭合，致使裂纹数量下降。④800～1 200 ℃后，砂岩的振铃累计数均有不同程度的增加。其中1 200 ℃后，砂岩声发射累计数最大，表明高温致使砂岩高度劣化，产生宏观裂缝，受压后裂纹急剧扩展。

4 受压下高温后砂岩的应力-应变与声发射率

试验结果表明：受压下砂岩应力峰值前的变形主要以裂纹为主导的变形，变形后与结构破坏位置对应，与砂岩的应力-应变曲线的压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、破坏阶段相对应，声发射活动也均有不同的特征，一般声发射的特性也可分为4个阶段：在微裂纹压密（能量吸收）过程中，由于岩石的各向异性及非均匀性，有极少量的声发射信号；弹性变形阶段，声发射几乎不产生，裂隙闭合后，岩样微裂纹萌生，声发射信号出现并小幅度上升；随后，砂岩内部裂纹稳态扩展，声发射信号明显增加，岩石微裂纹剧烈扩展；当达到峰值应力时，声发射率出现峰值；然后裂纹继续扩展，导致岩样失稳破坏。

图2 高温后砂岩声发射振铃累计数与应变（时间）的关系Fig.2 Relations of strain (time)and ring-down accumulation counts for sandstone after high temperatures

图3 不同温度下砂岩声发射振铃累计数的变化Fig.3 Changes of ring-down accumulation counts for sandstone after different temperatures

由试验数据，绘制出20～1 200 ℃温度作用后焦作砂岩在单轴压缩下的应力-应变与声发射振铃计数率的典型关系曲线如图4所示。

由图4可看出，最强的声发射信号主要发生在应力-应变曲线的转折点附近，这意味着砂岩内部能量的突然释放。高温后焦作砂岩受压下的力学状态与声发射表现为：①在20～600 ℃后，砂岩呈现出明显的脆性破坏特征。150～200 ℃后，砂岩在达到应力峰值前声发射信号较为稳定，砂岩内部裂纹呈稳态扩展。400 ℃以前，不同温度下振铃计数率变化不大，这恰好印证了400 ℃以内温度对砂岩力学性能影响不大的结论[20]。400 ℃温度作用后，砂岩脆性增强，峰值强度达到最大，声发射振铃累计数也达到最大值。②600 ℃以后，砂岩的声发射率增强，800 ℃以后，砂岩呈塑性变形，在峰值强度以后砂岩的声发射现象明显。经历800 ℃后，砂岩应变达到最大处其声发射显著，表明砂岩塑性增强。经历1 200 ℃高温后，由于砂岩已高度劣化，具有宏观裂纹，呈塑性破坏特征，加载初期就出现声发射信号，残余变形阶段还释放出密集的声发射信号。

图4 高温后砂岩应力-应变-振铃计数率关系曲线Fig.4 Relations of strain-stress and ring-down count rate for sandstone after high temperatures

5 高温后砂岩的强度与声发射振铃累计数

图5为经历20～1 200 ℃温度作用后焦作砂岩的平均声发射振铃累计数与平均单轴抗压强度的变化情况。

通过计算分析可知：20 ℃时，砂岩的振铃累计数为4.90×106；从20～100 ℃，AE振铃累计数下降了70.17%，降至1.46×106，而单轴强度上升13.65%；100～150 ℃，AE振铃累计数上升379%，单轴强度下降1.37%；150～200 ℃，AE振铃累计数变化不明显，仅下降1.73%，而单轴强度下降7.37%；200～400 ℃，AE振铃累计数上升249%，单轴强度上升17.36%；400～600 ℃，AE振铃累计数下降76.64%，而单轴强度下降23.19%；600～800 ℃，AE振铃累计数上升68.0%，而单轴上升3.52%；800～1 000 ℃，AE振铃累计数上升89.5%，而单轴强度下降6.2%；1 000～1 200 ℃，AE振铃累计数上升27.5%，并达到最大值即22.81×106，而单轴强度下降84.6%。在100 ℃和600 ℃后，砂岩的声发射累计数突变性均较大，试样内部裂纹较为稳定，100 ℃声发射现象下降是由于高温导致内部裂纹的闭合，砂岩峰值强度也有所升高，600 ℃后声发射振铃累计数再次下降，说明砂岩矿物结构在高温下发生了一定的变化。400℃后，砂岩的单轴强度和振铃累计数均达到最高值。

图5 高温后砂岩的平均单轴抗压强度与平均振铃累计数Fig.5 Relations of average uniaxial compressive strength and cumulative ring-down counts for sandstone after high temperatures

600 ℃和800 ℃作用后，高温导致砂岩的矿物成分和内部结构发生变化，焦作砂岩的强度呈现分化。图 6为砂岩 600℃后 (6个岩样)和 800℃后(6个岩样)的振铃累计数与抗压强度的对比情况。

图6 600 ℃及800 ℃后砂岩振铃累计数和抗压强度对比Fig.6 Relations of uniaxial compressive strength and cumulative ring-down counts for sandstone after 600 ℃ and 800 ℃

由图6可知，600 ℃后砂岩的声发射振铃累计数最低为1.88×106，最高为1.2×107；抗压强度最低为108.9 MPa，最高为169.9 MPa；具有显著规律即砂岩的声发射振铃累计数和抗压强度的相关性较明显，表现为振铃累计数越高，单轴抗压强度越低，振铃累计数呈下降趋势，这与文献[21]中抗压强度与声发射呈正相关性的结论有所不同。800 ℃后砂岩的声发射振铃累计数最低为 1.0×106，最高为3.5×107；抗压强度最低为 81.354 MPa，最高为191.03 MPa；随振铃累计数的上升，抗压强度变化规律不明显。

6 结 论

（1）高温后砂岩在单轴压力下有明显的声发射现象，高温对砂岩的声发射影响较大。

（2）100、600 ℃作用后的砂岩声发射累计数明显降低，初步推断100 ℃是砂岩裂纹扩展发育的门槛值，600 ℃是高温导致砂岩内部结构成分发生变化的门槛值。

（3）从20～1 000 ℃，随着温度升高，砂岩塑性逐渐增大，脆性减弱；砂岩出现较明显的声发射信号延迟现象。

（4）1 200 ℃后，岩样呈明显塑性破坏特征，加载至岩石破坏一直伴随着强烈的声发射信号，由此可见，高温对砂岩裂纹的扩展有明显的影响。

（5）600、800 ℃后，砂岩的强度出现分化；600 ℃后砂岩的声发射振铃累计数随强度增高而减少；800 ℃后砂岩的声发射与强度无规律性。

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