基于声发射监测的含水岩石动态损伤演化过程试验研究*

高子兴,夏 冬，杨意德，李友伟

(1.华北理工大学 矿业工程学院， 河北 唐山市 063009；2.华北理工大学 河北省矿业开发与安全技术重点实验室， 河北 唐山市 063009)

0 引 言

AE是指材料或结构在外部载荷作用下，以弹性波的形式释放应变能的现象[1]。AE技术可实时动态监测岩石材料内部微裂纹萌生、扩展，揭示其损伤演化过程[2]。通过对材料受载过程中AE事件动态演分析，有助于揭示岩石损伤破坏过程的动态演化规律[3]。国内外诸多学者对岩石损伤破坏过程中AE定位开展了广泛而深入的研究，20世纪60年代晚期，K. Mogi[4]应用AE定位技术，对花岗岩板在弯曲变形条件下的二维定位进行了研究，其后，C. H. Scholz[5]采用6个AE探头，应用最小二乘法获得了单轴压缩条件下AE事件的空间位置，开创了多通道拟合AE源定位算法。D. P. Janson[6]等应用AE监测技术，对岩石损伤演化过程中裂纹累积、成核及宏观扩展规律进行了研究；裴建良等[7]应用AE及其定位技术，对单轴加载条件下大理岩岩样破裂过程中内部不同空间组合类型自然裂隙的空间动态演化过程进行了研究，实现了自然裂隙及其扩展过程的精确定位；左建平等[8]采用AE监测系统对煤、岩和煤岩组合体损伤破坏过程中的力学行为和AE行为进行了实时监测，获得了其AE三维空间分布规律；张鹏海等[9]对蚀变花岗岩破坏过程中AE事件的演化规律开展了试验研究，研究结果为预测岩石的破坏提供试验依据；刘建坡等[10]采用单纯形定位算法，对预制孔岩石试件损伤破坏过程中的AE时空演化特征进行了研究。

上述研究成果极大地提高了人们对岩石破裂失稳过程中AE时空演化规律的认识，但这些研究多针对于干燥岩石，很少涉及天然与饱水状态岩石损伤破坏过程中AE的时空演化规律，而大多数的岩体工程多处于含水或饱水状态。针对这一问题，采用基于最小二乘法的AE组合定位算法[11]，对中关铁矿干燥、天然及饱水状态下的闪长岩在单轴加载条件下的动态损伤演化过程进行研究，研究成果有助于进一步认识岩体失稳破坏机制，为提高含水岩体失稳监测精度提供试验依据。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样制备

将从中关铁矿地下约600 m深处取回的闪长岩岩块加工成高径比为2∶1的圆柱体岩样，岩样直径约为48 mm，加工精度符合相关试验规程。根据试验要求，干燥、天然及饱水岩样分别为3个，各岩样的具体尺寸和纵波波速见表1。

1.2 试验方法

试验采用加载速率为10 kN/min的单轴应力加载方式。试验设备由TAW-3000微机控制电液伺服试验机和PCI-Ⅱ监测系统组成，AE传感器型号为Nano30，试验装置和传感器位置示意图见图1。

表1 岩样尺寸及纵波波速

图1 试验系统和传感器位置

AE监测系统具体参数设置为：前置增益40 dB，传感器频率为125～750 kHz，门槛值和主放分别为45 dB和40 dB，采样频率为1 MHz。传感器距试件端面距离20 mm，试验时，在试件与传感器接触部位涂抹黄油进行耦合。

2 试验结果及分析

2.1 声发射定位精度的验证

试验前为检验定位算法的精度，采用0.5 mm的HB铅笔芯断铅试验模拟源进行传感器响应和定位误差的测算。本次所有断铅试验的试验点均选在1、5传感器连线的中点处，每组试验重复10次。干燥、天然及饱水岩样的定位结果如图2所示。

图2 闪长岩断铅试验定位结果

根据实际断铅位置与定位结果对比分析可知，天然、干燥及饱水岩样的定位误差的平均值分别为4.44， 4.04 mm和2.44 mm。

2.2 干燥岩样的AE定位结果与分析

AE事件实时动态显示是研究岩石动态损伤演化过程的前提。本文按照AE事件产生的时间顺序和能级大小进行三维动态显示，AE事件能量的大小由球的直径决定，能量与球的直径成正比。

干燥状态典型岩样的应力-应变-AE能率曲线、应力-应变-AE能量累积数曲线及AE事件的动态演化规律分别如图3～图5所示。

图3 干燥状态岩样应力-应变-AE能率曲线

图4 干燥状态岩样应力-应变-AE能量累积数曲线

图5 干燥状态岩样不同应力水平声发射时空演化规律

根据图3中AE能率与应力之间的关系，将应力-应变-AE能率曲线划分为初始压密阶段、弹性变形阶段、损伤演化阶段和失稳破裂阶段，各阶段对应于图3中的OA段、AB段、BD段和D点以后阶段，其中C点为岩石受扰动容易破裂失稳的分界点。

由图3、图4可见，在OA和AB段，岩样内部几乎没有AE能量释放，在BD段，随轴向应力的增大，岩样内部有大量的AE能量释放，在该阶段，AE能率增大并呈阶跃变化，AE能量累积数快速增多，D点以后，几乎没有AE能量释放。

由图5可见，干燥岩样在低于0.5σc(σc为峰值应力)时，岩样内部累计产生的AE事件数约为其破裂失稳时AE事件总数的12.5%，AE事件主要集中于岩样的端部，这是因为在这一过程中，岩样端部产生了损伤裂纹。当应力由0.5σc增大到0.6σc这一过程中，新增AE事件数约为其总数的8.5%，新增AE事件有向岩样内部发展的趋势，且主要出现于岩样最终破裂面附近；当应力由0.6σc增大到0.7σc这一过程中，新增AE事件数约为其总数的5%，从图3也可以看出，该阶段AE能率相对较小，新增AE事件主要出现在岩样的中部；当应力由0.7σc增大到0.8σc这一过程中，AE能率出现了一次大的阶跃变化，新增AE事件数约为其总数的11.5%；当应力由0.8σc增大到0.9σc这一过程中，这一阶段AE能率相对较小，但该阶段岩样释放的能量相对较多，新增AE事件数约为其总数的12.5%；当应力超过0.9σc时，岩样处于失稳破裂前夕，该阶段AE能率、AE能率累积数及AE事件数急剧增大，新增AE事件数约为总数的50%，该阶段破坏裂纹贯通，岩样发生宏观破坏。在上述各应力阶段，AE事件均有向岩样最终破裂面附近集群的趋势，且主要分布于最终破裂面两侧。

2.3 天然岩样的AE定位结果与分析

天然状态下典型岩样的轴向应力-应变-AE能率曲线及轴向应力-应变-AE能量累积数曲线分别如图6、图7所示，不同应力水平时累积AE事件在空间中的分布如图8所示。

由图6、图7可见，在OA和AB段，AE能率和能量累积数几乎为零，这两个阶段分别处于岩样的压密与弹性变形阶段。BD段，该阶段的应力区间为(0.43～1.0)σc，其中C点的应力为0.73σc，在BC段，AE能率和能量累积数均有小幅增大，CD段，AE能率出现阶跃变化，能量累积数急剧增大。

图6 天然岩样应力-应变-AE能率曲线

图7 天然岩样应力-应变-AE能量累积数曲线

图8 天然岩样不同应力水平声发射时空演化规律

由图8可见，天然岩样在低于0.5σc时，岩样内部有少量AE事件产生，且产生的AE事件分布随机；当应力由0.5σc增大到0.8σc这一过程中，新增AE事件数约为其总数的17.6%，新增AE事件主要出现于岩样最终破裂面附近，但分布依旧较为分散；当应力由0.8σc增大到0.9σc这一过程中，岩样处于损伤演化阶段后期，新增AE事件数约为其总数的10.8%，通过对比该阶段AE定位结果与岩样最终破裂面位置关系发现，AE事件主要集中于最终破裂面；当岩样所受压力接近其峰值强度时，AE能率、AE能量累积数及AE事件数快速增加，岩样达到峰值强度时，岩样失稳破坏，此时，AE事件数不再增多，该阶段新增AE事件数约为其总数的60.9%，该阶段新增AE事件绝大多数集中于岩样最终破裂面附近，少数呈离散状分布。

2.4 饱水岩样的AE定位结果与分析

饱水状态下典型闪长岩岩样的轴向应力-应变-AE能率关系曲线及轴向应力-应变-AE能量累积数关系曲线如图9、图10所示，不同应力水平时累积AE事件在空间中的分布如图11所示。

由图9、图10可见，在OA和AB段，AE能率和AE能量累积数几乎为零。BD段所处的应力区间为0.76～1.0σc，其中C点的应力为0.90σc，BC段，AE能率和能量累积数均有小幅增大，CD段，AE能率出现阶跃变化，AE能量累积数急剧增大。

由图11可见，饱水岩样在(0～0.5)σc应力区间，岩样内有少量AE事件产生。当应力由0.5σc增大到0.9σc这一过程中，新增AE事件数约为其总数的28.56%，新增AE事件主要集中于最终破裂面附近，且接近于最终破裂面，当应力超过0.9σc直至岩样最终破裂这一过程中，新增AE事件数约为其总数的62.9%，并有向最终破裂面附近集群的趋势。

对比分析上述3种含水状态岩样损伤演化过程AE事件动态变化规律，可以发现：在低应力(应力<0.5σc)阶段，干燥岩样内部有少量AE事件产生，而天然与饱水岩样内部几乎没有AE事件产生；在0.5～0.9σc应力区间内，各岩样内部均有一定数量的AE事件产生，且饱水岩样产生的AE事件最接近于最终破裂面；在失稳破裂阶段，干燥、天然、饱水岩样内部AE事件所占各岩样AE事件的比例依次递增，且干燥与饱水岩样AE事件集中出现在岩样失稳前的一段时间内，而饱水岩样的AE事件集中出现于岩样失稳破裂前的一瞬间。

图9 饱水状态岩样应力-应变-AE能率曲线

图10 饱水状态岩样应力-应变-AE能量累积数曲线

图11 饱水状态岩样不同应力水平时累积AE试件空间分布

4 结 论

(1) 含水状态对岩样AE事件的精度和事件数均有显著影响，干燥、天然及饱水闪长岩的定位误差分别为3.46，4.44 mm和2.44 mm。天然、饱水岩样的声发射事件数分别为干燥岩样的37.2%和17.6%。

(2) 在低应力阶段，干燥岩样内部产生的AE事件多于天然与饱水岩样；在0.5～0.9σc应力区间内，各岩样内部均有一定数量的AE事件产生；在失稳破裂阶段，干燥、天然、饱水岩样内部AE事件所占各岩样AE事件的比例依次递增。

参考文献：

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