单轴压缩条件下砂岩的声发射特征研究

徐腾飞，谢 妮，张晓华，张华伟

(中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074)

单轴压缩条件下砂岩的声发射特征研究

徐腾飞，谢 妮，张晓华，张华伟

(中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074)

通过对砂岩进行单轴加载声发射试验，获取岩石破裂过程的应力-应变曲线和相关声发射参数，综合分析了累计事件数、事件率、能率、声发射率之间随时间的变化规律。试验表明在加载初期小裂隙密集发育，后期以大裂隙发育为主。事件率和累计事件数没有明显前兆信息，声发射率和能率有明显的异常前兆。声发射定位表明裂隙发育由端部向中部转变，且无“空白区”阶段。声发射前兆信号为该类工程岩体的稳定性评价提供重要的理论依据。

事件率；能率；声发射；声发射定位

由于声发射信号是岩石微观结构变形、破裂产生的弹性波，是岩石材料最直接的信号反应，这决定了声发射技术不可替代的地位[1]。国内外学者研究表明岩石破裂过程中产生的声发射信号丰富地记录了微裂纹萌生、扩展和贯通过程，采用恰当的数据采集、处理方式可以获得微裂纹发展各个阶段声发射信号的变化规律[2-10]。通过研究声发射信号的时序分布特征，为找出岩石材料失稳破裂之前的异常前兆提供可能。

随着声发射技术的不断发展，学者们针对岩石声发射信号的研究更加多样化，谢强、张永兴等[2]研究了石灰岩在单轴压缩条件下声发射能率、声发射率、累计计数和分形的时序特征。近几年对煤岩声发射的研究方面更加深入全面，文献[3-5]分别研究煤岩在单轴、三轴和蠕变条件下声发射信号规律。Freeman[7]利用声发射振幅和能量的分布规律，获得材料形变、断裂产生的声发射源信号特征。赵兴东，李元辉等[8-10]系统研究了岩石受载破裂过程中声发射信号特征。

目前，许多文章单一地研究岩石声发射参数的变化规律，而将声发射基本参数和声发射事件定位相结合的方法较少，通过两者结合，探明声发射信号发展规律与微裂纹破裂演化之间的对应关系，为确定岩石破裂前兆信息提供更有力的证据。

1 声发射试验

为了研究声发射信号随岩石受压过程的变化规律，国内外学者做了大量的室内和现场试验，这些试验不仅包括加载方式、加载速率、控制方法等试验方面控制因素的影响，而且包括如岩样尺寸、颗粒大小、孔隙率等岩样本身引起的声发射信号特征[11]。目前关于对岩石应力、应变关系与声发射参数时序特征的分布规律日益深入[6，11]，但是通过研究声发射参数并与声发射空间定位相结合的研究方法相对较少，这就预示着参数时效性的重要意义。本文通过将声发射参数与声发射事件定位相结合，研究裂隙发展过程的参数时序变化特征。

1.1 试验装置

试验采用MTS815岩石力学试验机和PCI-2声发射系统。MTS815.03电液伺服岩石试验系统，具有三种控制方式：应力控制、应变控制和冲程控制，机架的刚度为10.5×109N/m，最小采样间隔为50μs，满足采样要求，可以完成单轴加载、三轴加载、岩石渗透、岩石蠕变、温度效应等试验。声发射仪采用PCI-2卡，包含核心硬件为18位A/D转换，多个CPU对AE信号进行采集和参数分析。采用最新的DMA技术能够最大限度将PCI-2与计算机CUP进行交互处理，40MHz的采样率满足试验需求。

1.2 试验内容与方法

试件取三峡库区宜昌市五龙组砂岩，通过对砂岩进行单轴压缩声发射监测，研究岩石的应力、应变、声发射参数随时间的变化关系，并同时对声发射事件形成定位，分析岩石裂隙的发展趋势。

岩样为标准圆柱试件，岩石试样按照文献[12]所建议的方法完成加工，尺寸55mm×100mm(直径×高)，其物理力学性质见表1。试样周围设置4个传感器探头进行空间定位，探头在距离最近端面10mm处出对称安置，耦合剂采用凡士林，并用胶带固定，见图1。控制方式采用环向应变控制，加载速率为0.01mm/s，门槛和增益均为40dB。

表1 砂岩的物理力学性质

图1 传感器布置图(t1=0s)

2 试验结果与分析

将声发射和空间定位技术相结合，应用于砂岩单轴受载过程的研究，分析岩石力学及变形的时序特征，并将声发射参数和事件空间定位相结合，获得砂岩在整个破裂过程中声发射信号的动态响应。

2.1 声发射参数时序特征

由应力-应变曲线和相关参数之间的对比图(图2，图3)，明显看出参数随岩石的动态分布规律。在累计声发射数和事件率的时序分布图(图2)中，事件率在初始压密阶段0～500s(图2)较为集中，声发射事件密集响应，之后一直到岩石破裂都存在相对稳定的声发射事件。整个过程没有出现所谓的声发射“空白区”，且通过声发射率和累计声发射数几乎看不出破裂异常。能率和声发射率的特征曲线却有着非常明显特征，从图3可以看出，能率和声发射率的分布规律几乎一致，在初期和后期波动较大，能率在初期最高达到145左右，相对于中间阶段15～40左右的幅度后期的变化是非常明显的。声发射率也有同步变化的趋势，在初期高达2.6×104，随着破裂的发展逐步降低，中间阶段稳定过渡，最后破裂阶段约2500s(图4)处，再次高达2.5×104，虽然事件率和累积声发射曲线在最后岩石破裂没有表现出异常，但能率和声发射率却有着明显异常前兆。

图2 累计声发射数和事件率的时序分布图

综上所述，初期声发射事件数和事件率数值较大，产生的能率在破裂后期相差不明显，前期出现的事件数证明小事件密集发育，后期大事件发育较为集中，且单个事件释放的能量相对高些。

图3 能率和声发射率的时序分布图

图4 应力、应变的时序分布图

2.2 事件定位的时序特征

为了更好地分析声发射事件随时间的分布特征，本文截出7个不同时间段声发射定位图(图5)，并对声发射事件数进行了统计分析。从表2中可以看出，声发射事件数在初期阶段迅速增加，各个阶段声发射事件数的积累均占总数15%以上，之后声发射事件数有些降低，比例在10%波动，当岩石达到最后破裂段(t6～t7段)，声发射事件数迅速升高，占总事件数的21.2%，可能预示大事件的产生和相互贯通。

从事件定位图中明显看出，最初的470s(包括t1、t2)虽然产生大量的声发射事件数，却主要集中在试件两端，说明在最初压密阶段，事件两端裂隙萌生数量比试样中部剧烈，这是否因为端面效应[9]或其他因素的影响还需要进一步研究。从t3之后直到最终破裂的整个过程，沿着剪切破裂面呈带状分布。本次实验所获得的事件总数偏少，而文献11认为探头数目对于事件数的影响非常显著，探头太少，可能产生采集的事件数相对少且空间定位精度低，目前探头数对声发射事件的影响方面的研究还不多，是否因为本试验探头数目(4个)的原因导致总事件数过少还需进一步验证。

表2 事件数统计表

该试验条件下，裂隙发育具有明显的规律，首先在岩样两端密集发育，最后沿着剪切破裂面扩展、贯通，形成宏观破裂。

3 结 论

本文将声发射基本参数、事件空间定位及应力、应变的时序特征进行对比分析后得出以下结论。

1)声发射参数在岩石破裂过程中都有着明显的变化规律，事件率和累计事件数对裂隙发育密集程度反映灵敏，振铃计数和能率对能量大小反映灵敏。多参数对比分析能够看出小而密的裂隙主要产生在初期，大而疏的裂隙主要产生在破裂后期。

2)声发射定位图显示裂隙初期主要分布在岩样的两端，这是否是端面摩擦效应仍需要进一步讨论，中后期主要沿剪切破裂面发育，裂隙贯通直至岩样破坏。整个加载过程中没有出现“空白区”。

对声发射参数进行综合分析并结合精确的空间定位是研究岩石破裂前兆、分析破裂信息最有力的工具，这为研究岩石失稳破裂机制提供了理论依据。

图5 声发射空间定位图

[1] 李俊平.声发射技术在岩土工程中的应用[J].岩石力学与工程学报，1995，14(4)：371-376.

[2] 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].重庆建筑大学学报，2002，24(1)：19-22.

[3] 高保彬，李回贵，刘云鹏，等.单轴压缩下煤岩声发射及分形特征研究[J].地下空间与工程学报，2013，9(5)：986-991.

[4] 肖晓春，朱洪伟，等.瓦斯煤岩变形破裂过程声发射预警信号变化规律研究[J].中国安全科学学报，2013，23(6):122-126.

[5] 杨永杰，王德超，赵南南，等.煤岩蠕变声发射特征试验研究[J].应用基础与工程科学学报，2013，21(1)：159-165.

[6] 张黎明，王在泉，石磊，等.不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性[J].岩石力学与工程学报，2012，31(6)：1230:1236.

[7] Freeman S F.Characterization of Lamina and interlaminar Damage in Graphite-Epoxy Composites by the Deeply Technique[J].Composite Materials Testing and Design，1981，(5)：50-57.

[8] 赵兴东，李元辉，刘建坡，等.基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(5)：990-995.[9] 赵兴东，刘建坡，李元辉，等.岩石声发射定位技术及其实验验证[J].岩土工程学报，2008，30(10)：1472-1476.

[10] 李元辉，刘建坡，赵兴东，等.岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究[J].岩土力学，2009，30(9)：2559-2574.

[11] 许江，李树春，唐晓军，等.单轴压缩下岩石声发射定位实验的影响因素分析[J].岩石力学与工程学报，2008，27(4)：765-772.[12] Fairhurst CE，Hudson J A.单轴压缩试验测定完整岩石应力-应变全曲线ISRM建议方法草案[J].岩石力学与工程学报，2000，19(6)：802-808.

Studies on acoustic emission characteristics of sandstone under uniaxial compression

XU Teng-fei，XIE Ni，ZHANG Xiao-hua，ZHANG Hua-wei

(Faculty of Engineering，China University of Geosciences (Wuhan)，Wuhan 430074，China)

In order to analyze connections of stress-strain diagram and AE parameter during rock failure process under uniaxial compression AE testing，and at the same time，make an analysis about synthesis variables such as accumulated AE events，event rate，energy rate，AE rate versus time.Results indicate that little fracture forms at preliminary stage and larger fracture forms at final stage.Event rate and accumulated AE events have no manifest foreboding information，but AE rate and energy rate are just the opposite.AE location suggests that fractures shift along time from end to central part without any phase of “blank space”.AE precursory signal is regarded as an important theory basis to estimate the stability of the rock mass.

event rate；energy rate；acoustic emission (AE)；AE location

2014-09-29

国家自然科学基金项目资助(编号：51209188)

徐腾飞 (1990- )，男，山东微山人，硕士研究生，研究方向为基于细观力学的饱和脆性砂岩各向异性损伤与本构模型研究。E-mail：162291232@qq.com。

谢妮(1985-)，女，汉族，湖南南县人，讲师，博士，主要从事岩土工程方面的研究。E-mail：253818328@qq.com。

TU45

A

1004-4051(2015)06-0147-04