单轴载荷作用下岩石损伤演化及声发射特性研究

刘勇锋,王云海,马海涛,张晓庆

(中国安全生产科学研究院,北京 100012)

0 引言

对于脆性岩石材料而言，岩石的破坏过程与其内部微裂纹演化过程是一致的，岩石破裂主要表现为其内部的微裂纹的初始扩展。微裂纹的产生与扩展，伴随有弹性波的释放并在岩石内快速释放和传播，即声发射(acoustic emission，AE)。声发射技术与其它无损检测方法相比是一种非常规的动态无损检测方法，由于其独特的动态和实时检测性能，可以连续不间断的监测岩体的内部损伤及变形，而岩石的破坏失效实际上是内部裂纹萌生、扩展直至形成宏观裂纹破坏的过程。因此，岩石的声发射现象与岩体受力破坏之间存在着必然的联系，根据室内声发射试验规律研究不同岩石破坏过程中的声发射特性，总结声发射数据变化与其他力学参数的关系，对研究岩石损伤机理和变形破坏失稳有着极其重要的作用，利用声发射检测技术可以有效的监测岩石内部变化的实时信息，预测预报岩石破坏失效的过程，对于推动岩石声发射技术今后的发展和应用有着极其重要的理论价值和实际意义，具有广泛的工程应用价值。

1 单轴载荷下岩石声发射特征研究

1.1 试验过程及要求

本次试验采用了GAW-2000刚性伺服压力

试验机和TAW-2000岩石伺服三轴应力试验机，SWAES全波形数字声发射系统(图1)，进行单轴压缩状态下对岩石损伤变形和声发射特性试验，岩石试样采用灰岩、矽卡岩。

图1 实验装置

试验时，保持加载过程与声发射监测及岩石电阻率测试同步，完成岩石应力、电阻率和声发射信号的同步采集，并对岩石在变形破坏全过程中的声发射信号、荷载、变形及时间等参数进行了监测。加载方式为负荷加载和应变加载两种方式，负荷加载方式控制速率为：500N/S，应变加载方式控制速率为0.006mm/min。声发射监测系统，设定声发射监测的采样间隔为50ms，频率为102～104Hz，为尽可能减少噪音的干扰，选择高的声信号触发电平为3.6或4.5mV，使试验只测定岩石单轴受压破坏的声发射大事件。

岩石试样实验前后状态如图2。

图2 岩石试样实验前后

1.2 岩石变形破坏的声发射特征

1.2.1 声发射事件率统计分析

通过实验得出不同变形阶段，灰岩、矽卡岩试样声发射事件率的分布特征分别如图2、图3所示。

图2 灰岩试样声发射事件率分布

图3 矽卡岩试样声发射事件率分布

通过图2、3声发射事件率图，可以得出：

单轴压缩岩石的应力-应变全过程曲线可分为4个阶段：压密阶段、弹性变形阶段、应变强化阶段、应变软化阶段。

矽卡岩强度较高，存在节理裂隙，颗粒之间通过结晶相互结合在一起，整个加载过程声发射率较大，且持续时间最长；灰岩矿物颗粒致密坚硬，强度高，脆性大，破坏过程中产生的声发射事件率最大，整个加载过程声发射事件率高峰和低谷比较明显，但大声发射率集中出现在破坏前很短的一段时间，持续时间非常短；

灰岩在破坏前有少量声发射事件出现，持续时间比较短；矽卡岩在破坏前声发射率迅速降低直到消失，出现很长一段沉寂区，非常明显。根据以上分析可以看到，岩石强度越高这一沉寂区持续时间越长，越明显。在实际工程中可以将这一重要的特性作为预报岩体破坏前的前兆，对岩体稳定性声发射监测预报具有重要的意义，但并不是所有的岩石都有这一特性。

两种岩石声发射都经历了初始压密区，上升区，峰值区和下降区。但是两种岩石在峰值区和下降区又有一定的区别。初始压密阶段由于应力值保持在较低水平，产生的声发射率很低，甚至没有。上升期所对应的是岩石的弹性阶段，随着应力的不断增加，岩石内部产生许多微裂纹，声发射活动明显增加，声发射事件率也呈线性增加趋势。峰值区对应的是岩石的塑性阶段，这一阶段岩石内部微裂纹不断扩展、贯通，短时间内产生大量声发射事件，声发射率达到最大。下降区是岩石破坏阶段，声发射活动迅速降低直到消失。

1.2.2 声发射事件率统计分析

各阶段声发射事件数统计的分布特征如图4、图5所示。

图4 灰岩试样声发射事件数分布

在应力水平超过峰值强度的85～90%之后，大多数岩石的等应力增量间隔时间出现明显增加，以时间为自变量时的声发射事件数明显减少，即出现峰值前的声发射事件相对平静期。表1给出了测试岩样峰值前的试验测试结果，从表1中可以看出，在解近峰值前岩石等应力增量的1.5～2倍以上；

图5 矽卡岩试样声发射事件数分布

通过图4、5声发射事件数曲线图我们可以更清楚的看到岩石声发射所经历的四个阶段。A-

B 为初始压密阶段，岩石内部微裂纹、裂隙、不均匀颗粒经过初始应力作用产生少量声发射事件，压密紧实后不产生声发射事件；B-C 为平稳阶段，随着载荷的不断增大声发射也不断增大；C-D 为上升阶段，岩石内部不断产生新的微裂纹，同时微裂纹不断扩展、贯通形成较大裂纹，产生大量声发射事件；D-E 以后岩石进入破坏阶段，可以看到大理岩和灰岩两种岩石在破坏阶段表现出不同特性，大理岩在此阶段不断产生大量声发射事件直至完全失去承载力，这说明灰岩强度高，脆性比矽卡岩小，峰值强度后岩石还具有一定的承载力，这一点从图4峰值强度后的三次应力降可以清楚的看见，所以灰岩在破坏后声发射事件还是不断增加。

表1 峰值强度前的应力、时间与AE数的试验效果

2 基于声发射岩石损伤演化分析

2.1 基于岩石声发射损伤模型建立

当岩石材料承受荷载作用后，在宏观裂隙出现以前，局部出现的微裂隙已经影响了岩石材料的力学性质。由连续介质损伤力学理论可得如下本构关系：

σ=Eε(1-D)

(1)

材料在初始阶段横截面积为S，受损后损伤面积为Sd，有效横截面积变为S0，则损伤定义为：

(2)

应变等效性假设在损伤力学中应用很广泛，即受损材料的变形行为可以通过有效应力来体现，只要将应力σ替换为有效应力σ′就可以将损伤材料的本构关系用无损伤时的形式来表示，有效应力定义为：

(3)

对于一维弹性本构关系在无损时可以表示为：

(4)

由应变等效假设可得：

(5)

若无损材料整个截面S完全破坏的累积声发射振铃计数为N，则单位面积微元破坏时的声发射振铃计数N0为：

(6)

当断面损伤面积达Sd时累积声发射振铃计数Nd为：

(7)

所以有

(8)

通过以上推导可以得出由声发射累计事件数表示的岩石试样的损伤模型为：

(9)

2.2 岩石损伤演化分析

由本构关系方程(式9)和两种岩石的声发射事件数绘制出单轴压缩条件下两种岩石试样破坏阶段的理论应力应变与实际应力应变曲线拟合图，如图6、7所示。

图6 灰岩试样应力应变曲线拟合图

图7 矽卡岩试样应力应变曲线拟合图

从以上两种岩石的理论与实际应力应变曲线图中可以发现，通过声发射事件数参数拟合出的理论应力应变曲线能够合理地反映岩石实际的应力应变特性，这说明岩石的声发射与损伤有着必然的联系。

岩石在单轴压缩状态下的损伤演化大致可分为以下3个阶段：第一阶段为初始损伤阶段。这主要是由于岩石在此阶段处于弹性变形阶段，初始的微裂纹和微孔洞的几何尺寸没有改变，也没有产生新的微裂纹和微孔洞。第二阶段为为损伤稳定演化和发展阶段。从外荷载越过岩石的弹性极限，开始进入塑性变形阶段，试件中微裂纹或微孔洞开始扩展或新的微裂纹或微孔洞开始产生，损伤的变化连续稳定。第三阶段为损伤加速发展阶段，损伤变量上升直至等于损伤临界值。试件中的微裂纹和微孔洞迅速扩展、汇合、贯通，试件出现宏观破坏。此阶段损伤的发展是不稳定的，局部承载能力迅速下降。这也更进一步说明岩石由变形至破坏可视为逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化，直至出现了宏观裂纹，再由裂纹扩展到破坏的全过程，岩石动力灾害的形成具有时间效应。

3 结论

1)岩石在破坏失稳前声发射事件存在一段沉寂区，在实际工程中可以将这一重要的特性作为岩体破坏的前兆特征进行预测预报，对岩体稳定性声发射监测预报具有重要的指导意义。

2)建立了基于声发射特性的单轴压缩岩石损伤模型，得出了岩石的损伤演化曲线，为更好地了解受载岩石的损伤演化规律，进一步揭示岩石动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制打下基础。

3)通过声发射事件数参数拟合出的理论应力应变曲线合理地反映了岩石实际的应力应变特性，进而验证了损伤本构模型的正确性，得出声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。

4)单轴压缩岩石损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。岩石由变形至破坏可视为逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化，直至出现了宏观裂纹，再由裂纹扩展到破坏的全过程。

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