逐级加卸载扰动下脆性岩石加卸载响应比试验研究

祝方才，谭园辉，艾成才，刘丙肖

（1. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007；2. 中国铁塔股份有限公司 泰安市分公司，山东 泰安 271000；3. 湖南化工职业技术学院 会计与造价教研室，湖南 株洲 412006）

逐级加卸载扰动下脆性岩石加卸载响应比试验研究

祝方才1，谭园辉1，艾成才2，刘丙肖3

（1. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007；2. 中国铁塔股份有限公司 泰安市分公司，山东 泰安 271000；3. 湖南化工职业技术学院 会计与造价教研室，湖南 株洲 412006）

以某金属矿山隔离矿柱回采为工程背景，取该矿典型矿岩进行单轴和三轴逐级加卸载扰动试验，研究逐级加卸载扰动模式下，利用加卸载响应比预测岩石变形破坏方法。研制了可实现声发射便捷定位的加载转换装置，解决了三轴腔表面定位存在的干扰和信号削弱等问题。试验结果表明：以轴向应变、声发射能量作为响应参数，可反映岩石变形破坏过程；单次效应和扰动平均效应2种计算方法下加卸载响应比（LURR）均存在随荷载增加而增大的趋势，但后者不如前者明显。

逐级加卸载扰动；加卸载响应比；轴向应变；声发射

0 引言

岩石变形破坏是一非线性过程，在此过程中岩石的加载响应和卸载响应不同，在接近破坏时加载响应明显增大，据此可预测岩石破坏。尹祥础等[1]基于这一非线性过程，提出了加卸载响应比（load/unload response ratio，LURR）理论，并将其应用于地震预测中获得了成功。近年来，LURR理论逐渐应用于边坡和洞室稳定分析中。

冬瓜山铜矿位于安徽省铜陵市，是典型的千米超深大型矿山，具有高地应力、高地温特点。采用暂留隔离矿柱连续回采空场嗣后充填采矿方法，运用先采矿房、再采矿柱、最后采隔离矿柱的三步骤回采方法采矿[2]。第三个步骤回采，即回采隔离矿柱时，由于受前两次扰动的影响工程和地质条件相对恶劣，原因是隔离矿柱开始回采时，周围介质不再是高强度的矿岩，而是强度较低的胶结充填体或全尾砂充填。在多次采动影响下，围岩应力不断变化，围岩可能出现失稳情况[3]。本文通过对冬瓜山典型脆性岩石单轴和三轴轴向加卸载扰动，将LURR理论引入到脆性岩石破坏的前兆分析中，以期能对围岩失稳进行预测。

1 试验方案及加卸载试验

岩样是从冬瓜山-760 m水平50线50-8采场穿脉位置和出矿巷道位置处采得的大理岩，加工后如图1所示。

图1 大理岩岩样Fig.1 Marble rock specimens

试验加载系统采用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150C岩石力学试验系统，加载速率0.01～100 kN/s，可进行单轴和三轴逐级扰动加卸载试验。采用美国物理声学公司（PAC）制造的PCI-2声发射测试系统进行声发射测试。

为研究岩石在不同应力状态时加卸载响应特性，进行单轴和三轴条件下轴向逐级加卸载试验。在加卸载试验前，根据预估的岩石强度设定载荷级数，每个级别扰动大小取极限荷载的1/15，约为10.86 kN，采用三角扰动大小方式。由GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》得知，标准岩样单轴试验加载速率为0.5～0.8 MPa/s。考虑到试验要测加卸载过程的声发射数据，且声发射系统采集数据时存在一定的滞后性，因此本文加卸载速率定为0.25 MPa/s（即0.5 kN/s）。试验前用位移控制方式预压0.5 kN的力，使岩样端部与试验机的上下压头接触紧密；再将加载系统转为力控制方式，当达到预定荷载时力方式改为三角波，扰动频率为0.01 Hz；然后按图2中的荷载大小进行加卸载，循环次数为8次。试验结束后取出岩样，观察岩样的破坏状态如图3所示。加卸载实施方式有2种，一种是逐级加卸载模式，另一种为逐级加载扰动[4]模式，后者相对前者而言对LURR可起累积放大效应，但累积效应对岩石性质的影响有待考察。

图2 加卸载示意图Fig.2 Diagrams of graded load/unload process

图3 不同压缩条件下的大理岩岩样破坏图Fig.3 A physical image of marble specimen failure under different compression

单轴和三轴试验中大理岩有2种，一种单轴抗压强度约83 MPa，另一种约111 MPa，单轴试验采用前者，三轴试验采用后者。单轴加载情况下荷载级数分别为20%, 40%, 60%, 80%, 100%和120%单轴抗压强度，三轴加载情况下则分别为20%, 40%, 60%, 80%, 100%, 120%和140%单轴抗压强度。

2 具有声发射内定位功能的加载试验装置

对岩样进行声发射试验时，要求声发射传感器与岩样贴合紧密；在岩石三轴室内声发射试验中，声发射探头不便于直接布于试样上，而将声发射传感器直接贴附于声发射系统的三轴室外壁[5-7]。由于岩样与声发射传感器并非直接接触，不同介质之间的声波传递会因传输距离增大、传播路径复杂出现较大损耗和失真，使得接收到的事件数及能量削弱，无法获得可靠的声发射信息。同时声发射传感器置于外壁时，易受到试验设备以及周围环境的电磁及噪音干扰而进一步影响结果准确性。针对上述不足，研制了一套用于三轴声发射试验的加载头，如图4所示。

图4 声发射定位专用加载头Fig.4 Special loading heads for the location of acoustic emission

3 试验结果分析

3.1 加卸载响应比特征

以轴向应力与声发射能量为例，计算的一个加卸载响应比，如表1所示。以轴向应变和发射能量作为岩样轴向加卸载扰动下的响应参数，来反映岩样的变形破坏过程。

单轴压缩下大理岩的加卸载响应特征如图5所示，其中图5b和5c为单次加卸载的LURR，图5d和5e为考虑累积效应计算的LURR。

表1 加卸载响应比计算结果Table 1 Loading/unloading response ratio calculation

图5 单轴压缩下大理岩加卸载响应特征Fig.5 Response of marble specimen under an uniaxial compression

由图5b和5c可知，荷载初期加载变化量和卸载变化量相同，此时LURR在1～2之间波动。随荷载增大岩石内部微裂隙逐渐增多，加卸载响应比值逐渐增大。LURR在75级荷载后略有增大，在94级荷载时LURR达到最大值，随后岩样发生破坏，此时LURR急剧回落。由此可知，LURR反映了岩石变形破坏过程，在峰值附近出现剧烈波动，反映了峰值附近岩石剧烈破坏这一特征，特别是破坏后岩石已失去完整性，LURR值则无法反映破坏后情况。

由图5d和5e可知，若考虑将扰动效应进行累积平均，加载过程中LURR值有类似图5b和5c的变化趋势，但在荷载中期可能出现较大值。可能的原因是由于岩石试件表面剥落导致的声发射LURR出现异常情况，这需要在试验分析中注意观察。

三轴加载条件下岩石加卸载响应特征与单轴条件下类似，试验得到了2种围压8 MPa（5级荷载即破坏）和15 MPa情况下的加卸载响应特征，如图6～7所示。其中图6b、图6c和图7a、图7b为单次加卸载的LURR，图6d、图6e和图7c、图7d为考虑累积效应计算的LURR。

由图6b和图6c可知，在10级荷载前，由于施加围压，岩样孔裂隙加密，岩样为非线性变形，LURR在1.5～2.5之间波动。随后岩样进入弹性阶段，LURR值稳定在1左右。随着荷载级数的逐渐加大，岩石内部微裂隙逐渐增多，导致试件稳定性下降。52级荷载时，LURR值突增到5.5，随后稳定在3～5之间。随着荷载级数的继续加大，岩样抵抗失稳破坏的能力下降，此时同样大小的加卸载荷载，岩样的响应增大，岩样的临界敏感性增大，在岩样破坏前，LURR同样有突然增大又迅速回落的过程。图6d，6e是考虑扰动累积效应时的LURR值，也较好地反映了岩石的变形破坏过程。

图6 8 MPa围压下大理岩加卸载响应特征Fig.6 Response of marble specimen under a conventional triaxial compression with 8 MPa the confining pressure

图7a和图7b是分别以轴向应变和声发射能量作为响应求出的LURR。后者与前者不同之处在于，70级荷载时LURR值有小范围突增，这是因为随着荷载水平的不断提高，岩石内部损伤累计，微裂隙增大，岩样内部发生局部破坏。但在围压作用下仍处于压密状态故而能继续承载。岩样内部的这些变化发出的声发射波被传感器检测到，因此算出的LURR值有小幅度的突增。LURR值在83级荷载时出现突然增大又急剧回落的过程，随后岩样发生宏观破坏，两种参数作为响应得出的结论较为一致。图7c和图7d中考虑扰动累积效应时的LURR值同样反映了岩石变形破坏过程。

图7 15 MPa围压时大理岩加卸载响应特征Fig.7 Response of marble specimen under a conventional triaxial compression with 15 MPa the confining pressure

3.2 声发射定位分析

三轴声发射定位软件设置与单轴相同，通过本文设计加工的上下压头，共放置4个声发射传感器，如图8a所示，声发射定位事件数如图8b所示。

图8 声发射传感器布置及8 MPa围压声发射定位结果Fig.8 Layout of AE sensor and location of AE with 8 MPa the confining pressure

1, 2号传感器装在下压头上与岩样下端面接触，3, 4号传感器装在上压头上与岩样上端面接触。上下断面传感器连线成垂直状态，以保证两端面传感器在不同平面，从而满足三维定位要求。由于标准岩样的断面面积和声发射传感器的尺寸限制，上下压头共放置4个传感器，三维定位至少也需要4个声发射传感器。造成试验事件数偏少的原因可能是其中某个传感器在岩样加卸载过程中接触不紧密或有损坏。

由图8b可知，初始加载时，上端部声发射比较集中，同时由于围压的作用，在岩样圆周面附近也出现了比较分散的事件数。围压加载到恒定值时轴压在30 MPa左右，此时声发射事件在试件内呈分散分布，尚不足以反映试件破坏过程，其主要原因是该声发射系统只配备了长方体定位，无法进行圆柱体定位，这还需要进一步改进。

4 结语

通过室内岩石单轴和三轴逐级加卸载扰动试验，研究了岩石应变和声发射能量的加卸载响应比特征，并分析了单次和累积效应条件下的LURR特征。试验结果表明，单次统计效果较好，累积效应也能反映岩石变形破坏过程。

介绍了课题组研制的单三轴条件下声发射定位加载转换装置，并应用于试验中，解决了三轴腔表面定位存在的干扰和信号削弱等问题。

[1]尹祥础，陈学忠，宋治平，等. 加卸载响应比：一种新的地震预报方法[J]. 地球物理学报，1994，37(6)：767-775. YIN Xiangchu，CHEN Xuezhong，SONG Zhiping，et al. The Load-Unload Response Theory：A New Approach to Earthquake Prediction[J]. Acta Geophysica Sinica，1994，37(6)：767-775.

[2]李冬青，王李管. 深井硬岩大规模开采理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2009：108-109. LI Dongqing，WANG Liguan. Theory and Technology of the Massive Mining in Deep Metal Mines[M]. Beijing：Metallurgical Industry Press，2009：108-109.

[3]张良贵. 多步骤回采时采场底部结构稳定性监测与分析[J]. 现代矿业，2014(6)：90-91，97. ZHANG Lianggui. Monitoring and Analysis on the Stability of the Bottom Structural of the Stope of Multi-Step Stoping [J]. Modern Mining，2014 (6)：90-91，97.

[4]包春燕，姜谙男，唐春安，等. 单轴加卸载扰动下石灰岩声发射特性研究[J]. 岩石力学与工程学报，2011，30（增刊2）：3871-3877. BAO Chunyan，JIANG Annan，TANG Chun’an，et al. Study of Acoustic Emission Characteristics of Limestone Under Cycle Uniaxial Loading-Unloading Perturbation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(S2)：3871-3877.

[5]曹树刚，刘延保，李 勇，等. 不同围压下煤岩声发射特征试验[J]. 重庆大学学报，2009，32(11)：1321-1327. CAO Shugang，LIU Yanbao，LI Yong，et al. Experimental Study on Acoustic Emission Characteristics of Coal Rock at Different Confining Pressure[J]. Journal of Chongqing University，2009，32(11)：1321-1327.

[6]陈景涛. 岩石变形特征和声发射特征的三轴试验研究[J].武汉理工大学学报，2008，30(2)：94-96. CHEN Jingtao. Experimental Study on Triaxial Compression Deformation and Acoustic Emission Property of Rock[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2008，30(2)：94-96.

[7]苏承东，高保彬，南 华，等. 不同应力路径下煤样变形破坏过程声发射特征的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28(4)：757-766. SU Chengdong，GAO Baobin，NAN Hua，et al. Experimental Study on Acoustic Emission Characteristics During Deformation and Failure Processes of Coal Samples Under Different Stress Paths[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(4)：757-766.

（责任编辑：邓光辉）

An Experimental Study on Load/Unload Response Ratio of Brittle Rocks Under Graded Load / Unload Disturbance

ZHU Fangcai1， TAN Yuanhui1， AI Chengcai2， LIU Bingxiao3
（1. School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. China Tower Tai’an City Branch Company，Tai’an Shandong 271000，China；3. Department of Accounting and Cost，Hunan Chemical Vocational Technology College，Zhuzhou Hunan 412006，China）

With the stopping of barrier pillars in metal mines the engineering background, a graded load-unload disturbance test of typical rocks has been conducted under uni-axial and conventional triaxial compression, with load / unload response ratio (LURR) theory applied in prediction of rock deformation and failure. An apparatus for loading conversion has been designed for the location of acoustic emission (AE), thus overcoming the interruption and reduction of AE signals in the process of the location of the surface of triaxial cavity. Experimental results show that, with axial strain and acoustic emission energy the LURR parameters, the deformation and failure process of rocks can be best reflected. Compared with two calculation methods including single and accumulation ones, LURR presents increment along with an increase in load, nevertheless, with the latter not so obvious as the former.

graded load/unload perturbation；load/unload response ratio；axial strain；acoustic emission

TD315

A

1673-9833(2016)06-0001-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.06.001

2016-09-13

湖南省自然科学基金资助重点项目（13JJ2033）

祝方才（1972-），男，湖北荆州人，湖南工业大学教授，博士，主要从事洞室和边坡稳定方面的教学与研究，E-mail：zhufangcai@163.com