单轴压缩条件下砂岩声发射特性研究

陈依珂，胡淑婷，周家俊，康玉梅

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)



单轴压缩条件下砂岩声发射特性研究

陈依珂，胡淑婷，周家俊，康玉梅

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

摘要：进行了单轴压缩条件下砂岩的声发射试验，研究了砂岩单轴压缩破坏全过程声发射特性。试验结果表明，岩石破裂过程中，声发射具有与力学参数同步的阶段性特征，且岩石的不同变形阶段的声发射特征不同。根据岩石受压过程中声发射的能量、能率和事件率的变化，能较好地表征岩石受压破坏的时空演化规律。

关键词：声发射；单轴压缩；声发射事件率；声发射振铃计数；砂岩

1引言

在外力、内力或温度的影响下，岩石具有声发射现象(acoustic emission，简称AE)[1]。通过监测岩石破裂过程中声发射信号产生的时间、空间、破裂强度等信息，可推导出岩石裂纹孕育、发展和贯通过程，从而揭示岩石的破坏机制。目前，声发射理论和监测技术已经被广泛应用于矿山围岩稳定性和岩爆的监测预报中[2-3]。国外许多学者对岩石受力破坏过程中的声发射特征做出了大量的室内试验研究[4-9]，例如，刘建坡等[4]基于声发射定位技术和单键群方法，对在单轴压缩条件下岩石破裂过程中的声发射空间相关长度的变化特征进行试验研究；秦虎等[5]研究了单轴压缩下不同含水率煤岩的声发射特征；周喻等[6]基于颗粒流理论建立细观尺度上岩石声发射模拟方法；李术才等[7]提出利用电阻率和声发射技术对砂岩岩样单轴压缩全过程进行联合测试的试验方法；杨永杰等[8]利用声发射参数，分析三轴压缩条件下灰岩的损伤演化特征；吴刚等[9]利用LEICA DM4500P偏光显微镜对不同温度下花岗岩的强度和声发射与细观结构形态关系进行了初步的探讨。

岩体作为一种复杂的地质体，其矿物成分、组成结构、形成环境、地质构造作用及胶结物都不尽相同，这意味着其力学特性和破坏机理等会有很大的差异，因此，岩体的声发射特征也应该是各不相同的。本文以常见的砂岩为试验对象，采用WHY-600加载设备进行单轴压缩试验，对应力-应变全过程中声发射特征及各声发射参数间的互相比较进行研究，进而揭示岩石的损伤产生、损伤演化和破坏过程，为研究岩石的损伤破裂过程以及预测现场岩体的破裂失稳过程奠定理论基础。

2砂岩单轴压缩声发射试验

2.1试验设备

声发射试验系统由3个子系统组成：(1)加载系统，以WHY-600刚性微机控制压力机为加载设备，采用恒定0.24mm/min速度的加载方式，获得应力、应变、试块极限承载力等试验曲线；(2)声发射监测系统，采用美国物理声学公司(Physical Acoustic Corporation)生产的PCI-2全波形声发射系统，其门槛值设定为40dB，采用双通道采集数据，采样频率为1MHz；(3)数据采集系统，采用DH-3817型动静态应变仪采集试样的应变数据。

2.2试件制备

本试验选用砂岩为试验对象。为尽可能降低岩石试件个体差异而产生的试验结果的离散性，按照相关岩石力学试验指导用书[10]的建议，加工6个直径∅50mm、高100mm的圆柱形试件，几何精度满足规程要求。试样加工好后，置于室内通风条件较好的位置，自然风干14天以上。

2.3试验过程

(1)分别在圆柱1/2和3/4高度处沿圆周每1/4圆周固定一个传感器，传感器与试样加载两端留约20mm的距离，以消除压力机压头对声发射事件的影响；

(2)在试件的一半高度的部分沿径向和纵向分别贴应变片，采集试样的应变数据；

(3)将试件的上下两端分别涂上凡士林，以减小加载系统的底座与试件端面之间的摩擦；

(4)将岩芯的轴线与加载的轴线重合，进行预加载；

(5)在岩石试样上选取一系列的点做断铅试验，以便校正试验定位结果；

(6)一切准备就绪后，使加载和声发射信号采集同时开始进行，直到试件破坏，如图1所示。

图1　破坏后的岩样

3试验结果与分析

本文进行了6组单轴压缩条件下的砂岩声发射试验，限于篇幅，下面选取典型的试验数据进行分析。

3.1单轴压缩条件下砂岩的应力-应变曲线

砂岩应力-应变曲线如图2所示，砂岩岩芯破坏前应变较小，超过峰值应力后，岩样瞬间破坏，其破坏过程可以分为4个阶段。

图2　 砂岩的应力-应变曲线

(1)OA段为孔隙裂隙压密阶段。此段的应力-应变曲线上凹，说明该段曲线的斜率由小变大，即弹性模量由小变大，但应变的变化率减小，表明岩样内的裂隙、微小孔隙或节理面在加载过程中渐渐闭合，软弱介质被压密。此阶段试件横向膨胀较小，岩样的体积在此阶段随荷载增大而减小。

(2)AB段为弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段。此阶段应力-应变曲线近似保持一直线，岩样的变形速率基本保持一定。

(3)BC段为非稳定破裂发展阶段。由于该阶段内大量微裂纹开始生成扩展，并最终汇合贯通，使试件破坏，试件由体积压缩转为扩容，体积应变和轴向应变速率迅速增大，局部有岩块崩落，显示出宏观裂纹。随着荷载加大，裂纹扩展贯通形成滑动面，完全破坏时出现巨响。

(4)C之后为破坏后阶段，由于使用的压力机不是刚性压力机，此阶段信息未采集。

3.2单轴压缩条件下砂岩应力-应变全过程中的声发射特征

在单轴压缩试验中，加载初期就有AE活动，如图3和图4所示，这表明岩样初始微裂隙在荷载作用下闭合摩擦，释放出应力波。随着荷载的增加，声发射率比加载初期要小，因为这一阶段主要是线弹性变形，岩样基本没有塑性变形。临近破坏时，AE活动大量增加，能量、振铃计数、AE事件率和能率都在峰值应力处达到最大值，这与大多数试验结果相一致。

图3　振铃计数与时间的关系

图4　应力、幅值与应变的关系

与应力-应变的4个变化阶段相对应，岩石的声发射特征也有4个阶段。

(1)初始压密阶段：随着轴向应力的增加，应变增大，岩样中的微裂隙或节理被压密，在这一过程中的声发射特征具有幅值小、能量小、振铃计数少等特点。

(2)弹性阶段至微弹性裂隙稳定发展阶段：应力-应变曲线近似为一条直线，几乎没有塑性变形，这时的声发射特征很弱，幅值很小、能量很小、振铃计数很少，只有少量裂隙稳定滑移引发少量的声发射事件。

(3)非稳定破裂发展阶段：由于该阶段内大量微裂纹开始扩展，并最终汇合贯通，使试件破坏，这时的声发射信号特征非常显著，振铃计数、能量、事件率都表现得非常大，并且在峰值应力处达到最大值。

(4)破坏后阶段：此阶段岩石仍有承载力，还会有声发射信号，但是强度要比上一阶段弱。

综上可知，由于岩石的不同变形阶段的声发射特征不同，因此可用声发射来研究岩石的损伤破裂过程以及预测现场岩体的破裂失稳过程。

3.3声发射参数分析

3.3.1声发射能量

声发射能量与应变的关系如图5所示，可以看出，能量在加载初期保持在较低水平，在弹性加载段内，相对来说能量微弱到几乎没有，在非稳定破裂阶段，能量迅速增大，预示着岩样内部微裂纹的开裂扩展并贯通，并在峰值应力时达到最大值。因此，声发射能量较好地符合了岩石受力变形各个阶段内的变化特征。

图5　应力、能量与应变的关系

3.3.2声发射能率

声发射的能率与应变的关系如图6所示。从图中可以看出，加载初期有微弱的声发射活动，但是能率很微弱，与峰值应力时的能率(5×109)相比可以忽略不计，与声发射事件率相比，能率表现得更敏感。

图6　应力、能率与应变的关系

3.3.3声发射事件率

图7　应力、AE事件率与应变的关系

岩石受压变形直到破坏的声发射事件率与应变的关系如图7所示。从图7可以看出，在加载初期，声发射事件率很低，仅有少量的声发射事件，此时岩样处于原生裂隙或节理的闭合阶段。当应力继续增大到峰值应力的15%-70%左右时，声发射率保持在0左右，此时几乎没有声发射事件，此时岩样处于线弹性阶段，岩样内部几乎没有损伤增加。当应力超过70%左右时，声发射率有所增加，但幅度不是很大，表明此时岩样内部微裂纹渐渐增多，但仍处于稳定发展阶段，岩样内部局部损伤破裂增加。当应力增加到峰值应力的85%左右时，声发射事件率开始阶跃式上升，表明此时岩样内部的裂纹开始不稳定扩展，裂纹逐步扩展变大并贯通，从局部损伤转向宏观破裂，产生了大量声发射事件，并在达到峰值应力时达到最大值，之后声发射事件率急剧下降，说明此岩样的破坏具有瞬时性。在实际工程中，此种岩石有岩爆倾向。

3.3.4声发射振铃计数

声发射振铃计数与应变的关系如图8所示。从图中可以看出，加载初期声发射活动很微弱，进入线弹性阶段后，声发射比较稳定，声发射振铃计数比上一阶段要少，但是直到峰值应力时才迅速跃升到较大值。因此，振铃计数比起声发射事件率、能率等声发射特征不明显，不能可靠地预测岩石进入非稳定破裂阶段。

图8　应力、振铃计数与应变的关系

4结语

(1)在单轴压缩条件下，砂岩应力-应变过程曲线可分为4个阶段:初始压密阶段、弹性阶段、应变硬化阶段和应变软化阶段。

(2)岩石的不同变形阶段的声发射特征不同，因此可用声发射来研究岩石的损伤破裂过程以及预测现场岩体的破裂失稳过程。

(3)声发射的能量、能率和事件率能较好地符合岩石受力变形的各个阶段的特征，因此可以用来方便地监测岩石内部的损伤演化过程。振铃计数由于非稳定破裂阶段不明显，在峰值应力时才迅速增加到最大值，因此不适用于表现岩石破裂前兆。

参考文献

[1]Lockner D A. The role of emission in the study of rock failure[J]. Int. J. Rock Mech. Min．Sc. & Geomech. Abstr., 1993,30(7):883-899.

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[3]王恩元,何学秋,李忠辉,等.煤岩电磁辐射技术及其应用[M].北京:科学出版社,2009．

[4]刘建坡,李元辉,田军,等.基于单键群方法的岩石破裂声发射时空分布特征的试验研究[J].岩土工程学报,2010,(S2):3488-3497.

[5]秦虎,黄滚,王维忠,等.不同含水率煤岩受压变形破坏全过程声发射特征试验研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(6):1115-1120.

[6]周喻,吴顺川,许学良,等.岩石破裂过程中声发射特性的颗粒流分析[J].岩石力学与工程学报,2013,32(5):951-959.

[7]李术才,许新骥,刘征宇,等.单轴压缩条件下砂岩破坏全过程电阻率与声发射响应特征及损伤演化[J].岩石力学与工程学报,2014,33(1):14-23.

[8]杨永杰,王德超,郭明福,等.基于三轴压缩声发射试验的岩石损伤特征研究[J].岩石力学与工程学报, 2014, 33(1): 98-104.

[9]吴刚,翟松韬,王宇,等.高温下花岗岩的细观结构与声发射特性研究[J].岩土力学,2015,36(S1):351-356.

[10]中华人民共和国行业标准编写组.SL264-2001水利水电工程岩石试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,2001.

[收稿日期]2016-05-06

[作者简介]陈依珂(1994-)，女，浙江金华人，所学专业为土木工程。

[基金项目]东北大学第七批国家级大学生创新实验(150032)。

中图分类号：TU459+.3

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.006

Experimental Research on Acoustic Emission Characteristics of Sandstone on the Condition of Uniaxial Compression

Chen Yike, Hu Shuting, Zhou Jiajun, Kang Yumei

(School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning, China)

Abstract：The test of acoustic emission is carried out on the condition of uniaxial compression, and the acoustic emission characteristics of sandstone in the whole fracture process are studied. The test results show that the acoustic emission has the synchronized phase characteristics in the rock fracture process. In addition, the acoustic emission characteristics will change in different phases. According to the change of the rate of energy and events rate, the regulation of rock fracture process on the condition of compression can be vividly showed.

Keywords:acoustic emission; uniaxial compression; acoustic emission event rate; ringing acoustic emission count; sandstone