基于声发射的深层砂岩裂纹发育分类研究

蔡国军，周 扬，陈世豪，贾 俊，李苏申，罗巧丽

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059；2.成都理工大学地质工程国家级实验教学示范中心，四川 成都 610059；3.中国地质调查局西安地质调查中心/西北地质科技创新中心自然资源部黄土地质灾害重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引 言

岩石在加载过程中内部裂纹的扩张及能量释放等一系列问题[1-2]一直以来是岩土工程界关注的重点。目前，最常用的研究方法就是声发射试验[3- 4]。岩石在载荷作用下，其内部产生塑性变形，并伴随新裂纹的产生、扩展，储存的能量以弹性波的形式突然向外释放出应变能的现象称为声发射。岩石声发射包含岩石材料在压缩破坏过程中的许多信息，如时间、振铃计数、能量、累计能量等参数。根据这些信息在时间、空间上的变化特征，可了解岩石材料的受力变形及破坏过程，建立起岩石声发射特性与其变形过程的内在联系，揭示岩石材料的损伤、破坏机理[5- 6]。目前，对声发射的研究十分广泛，章思平等[7]对岩石试样在静、动载下的声发射能量特征参量进行了研究；何正刚等[8]对不同应力状态下岩石声发射波形分形进行了研究；刘文德等[9]对单轴压缩下岩石声发射及其分形特征进行研究，得到了岩石破裂过程的声发射参数序列具有分形特征；宋璐璐[10]对基于声发射能量判定指标岩石破坏时刻预测进行了研究；刘荡平等[11]对不同温度作用后灰岩声发射特征进行了研究；谢和平等[12]将损伤力学和分形几何相结合，应用于岩石破裂全过程的分析中，建立了岩石分形理论；王艳升等[13]基于希尔伯特-黄变换(HHT)和声发射(AE)主频统计的岩石破坏进程分析，证明了岩石的AE波形主频与内部微破裂模式有着紧密的联系；沈忠等[14]对软岩声发射序列分形特征研究发现，声发射序列分形是有限度的，超过一定限度不再分形；李庶林等[15]对岩石单轴多级循环加载声发射分形特性进行研究发现，声发射关联维数能很好地反映岩石内部损伤破坏的发展。

以上研究都是在改变外部试验条件和运用不同试验手段，运用声发射对岩石进行研究，运用声发射对岩石本身层面与垂直加载方向的不同夹角的研究很少。为此，本文取深层砂岩(取样深度在4 316～4 470 m之间)，对岩石在不同角度加载过程中，声发射与应力的对应关系，以及基于声发射岩石裂纹分类进行了研究和统计。

1 试验设计

岩石的矿物成分对岩石的物理力学性质都有较大影响，对声发射的活动也具有较大影响。因此，了解岩石的矿物成分对更好地认识岩石有重要的意义。本文利用X射线衍射，对深层砂岩进行矿物成分分析。制样时，按层理面与垂直加载方向夹角的不同，即0°、45°和90°方向(加载方向平行于层理方向为0°，垂直于层理方向为90°)，制备3种岩样，编号为SY- 0°、SY- 45°、SY- 45°。试验采用型号DX-2700衍射仪(见图1)。通过该仪器测试系统，进行X射线的发生、测角的控制和数据的自动采集，结果可作为物相定性、定量分析、结晶度分析、晶胞参数的测定和衍射数据指标化的参考依据。X衍射图谱见图2。图2中，2θ为仪器与试样测量角；d为矿物的不同粒径。岩石矿物含量见表1。

图1 DX-2700衍射仪

图2 X射线衍射图谱

对深层砂岩进行的矿物成分的定量分析发现，石英和长石这2种矿物成分含量较多，导致岩石抗压强度较高。其中，石英含量在54%～63%之间，其对应衍射强度也最高，由于石英这种质地坚硬的矿物存在，岩石在破坏时伴有较强的声发射信号；长石含量为13%～23%，其衍射强度也相对偏高。岩石中硬度较小的伊利石和绿泥石含量约为16%。

表1 砂岩矿物组成定量分析 %

2 声发射结果分析

本文采用室内单轴压缩试验对深层砂岩试样进行声发射特性参数测试，研究岩石在不同方向上加载声发射之间的规律。岩样破坏情况见图3。本文使用的声发射时间序列参数包括声发射事件、能量、累积能量、振铃计数和幅值等。图4、5为深层砂岩在单轴压缩过程中不同方向上的声发射事件数、能量、累积能量和应力随加载时间变化的关系。从图4、5可知，岩石在单轴压缩过程中，不同角度对应的应力和声发射参数，随时间的变化都不相同。

图3 砂岩破坏

图4 单轴试验声发射事件、应力与时间的关系

图5 单轴试验声发射能量、累积能量、应力与时间的关系

(1)SY- 0°加载初期有极少量声发射出现，但在22 s时，能量有1次急剧增大，此段时间较短；此后，岩石在70、83 s出现2次较大的破裂，并且在发生较大破裂前都有很明显的声发射信号；之后直到破坏前，出现声发射平静期，破坏时又伴有明显的声发射信号。

(2)SY- 45°加载初期，岩石仍然只有很少量的声发射出现，在58、82、96 s时有3次较为明显的微破裂，微破裂前，也有很明显的声发射信号；之后，出现一小段平静期，直到岩石破坏再次出现比较强的声发射信号。值得注意的是，由于声发射事件数和声发射信号的振幅没有关系，而能量却反映了声发射信号的振幅，这就是声发射事件数维持在很低的水平，而能量却保持在很高的水平的原因。

(3)SY-90°加载初期，岩石还是只有少量的声发射信号，之后有一系列声发射信号出现，并在118 s时出现1次很大的破裂。其原因是因为加载方向垂直于层理面，导致能量一直累积，最终发生1次较大的破裂。对比于0°、45°时，岩石在加载过程中发生了多次的微小破裂，这与倾角的不同有一定关系。之后，出现了一段声发射平静期，直到岩石破坏产生较大声发射。

3 基于声发射的岩石裂纹发育研究

岩石在单轴压缩试验中破坏主要是内部微裂纹萌生、扩张和贯通的过程。在力的作用下，岩石破坏类型有张拉破坏和剪切破坏。随着加载的进行，两者之间所占的比例上在不断变化。理清岩石在各加载阶段中，张拉破坏和剪切破坏之间的变化情况，对研究岩石破坏机理并最终指导工程实践有一定的意义。

3.1 声发射的裂纹分类理论

JCMS—IIIB 5706(2003)[16-17]提出了一种检测和分类钢筋混凝土结构裂纹扩展的方法。JCMS—IIIB 5706(2003)常见裂纹分类方法见图6。图6中，RA为声发射参数中的上升时间和最大振幅的比值；AF为声发射计数和持续时间的比值。本文利用该方法，对本次试验过程中所伴随的破坏方式进行分类研究。利用岩石试样表面安装的声发射传感器检测到微裂纹引起的声发射信号，声发射信号通过处理器处理，得到声发射参数，并由声发射检测系统记录和存储。

图6 常规裂纹分类

一般来说，低RA值和高AF特征的声发射信号意味着张拉裂纹的萌生或扩展贯通；相反，高RA值和低AF特征的声发射信号一般表示剪切裂纹的萌生或扩展贯通。

3.2 基于声发射裂纹分类研究

根据JCMS—IIIB 5706提出的方法，对按3个方向制备的试样的声发射时间序列中的上升时间、最大振幅、振铃计数和持续时间进行了分析，得到RA和AF的值。对3组试样的RA和AF全部数据进行研究，得到单轴加载条件下的RA-AF协方差矩阵的散点分布图(见图7)。由于1个声发射振铃计数时间序列代表1次岩石破裂，区分张拉破坏裂纹和剪切破坏裂纹为RA和AF散点图的对角线连线的直线(对角线斜率K=0.01)，并由此统计了3组试样在单轴压缩条件下各加载阶段中张拉破坏和剪切破坏的声发射计数，见表2。从图7和表2可知，同一块岩石，不同的制备方向上的破坏形式存在一定偏差。

表2 3个方向张拉、剪切裂纹在不同应力区间内统计个数

图7 RA-AF散点分布

(1)SY- 0°张拉裂纹数据点与剪切裂纹数据点数量相当，但还是以张拉裂纹居多。初始阶段，岩石以张拉裂纹扩散，剪切裂纹只有张拉裂纹的一半。随着加载继续到应力区间为0.4～0.5 MPa时，剪切裂纹开始增加，直到岩石破坏时剪切裂纹与张拉裂纹大致持平。可以判断，岩石破坏是张拉、剪切共同作用导致的。

(2)SY- 45°张拉裂纹数据点要远大于剪切裂纹数据点。岩石加载初期，主要以张拉裂纹扩散。应力区间为0.5～0.6 MPa时，剪切裂纹开始增加，但增加的幅度有限，到岩石破坏，张拉裂纹大致是剪切裂纹的2倍。岩石破坏以张拉破坏为主。

(3)SY-90°张拉裂纹数据点也远大于剪切裂纹数据点。初始阶段，岩石仍以张拉裂纹扩散。应力区间为0.4～0.5 MPa时，剪切裂纹开始增加且增加剧烈。此后，剪切裂纹在一定范围内波动，直到破坏时剪切裂纹超过了张拉裂纹。岩石虽然是以张拉、剪切共同作用，但以剪切破坏为主。

4 结 语

本文对深层砂岩层理面与垂直加载方向夹角不同的岩样进行了X衍射试验和声发射试验，对其声发射信号进行了分析，并对加载过程中的裂纹类别进行了分类，得到以下结论：

(1)在加载初期，不论垂直加载方向与层理倾角如何，加载初期都只是微裂纹在力的作用下发生闭合而产生的少量声发射活动。

(2)轴向应力变化趋势随着角度的增加而增加，即轴向应力SY- 0°

(3)砂岩在加载初期，不论岩石的加载方向如何，都主要以张拉裂纹的方式进行扩散，剪切裂纹开始增多主要发生在应力区间为0.4～0.6 MPa的阶段，该阶段对应岩石塑性变形阶段，表明在塑性阶段剪切裂纹开始增加，之后剪切裂纹稳定上升或在一定范围内波动。

(4)从岩石破坏形式来看，SY- 0°是张拉、剪切共同作用导致的，SY- 45°以张拉破坏为主，SY-90°是张拉、剪切共同作用，但以剪切破坏为主。

(5)对所有RA-AF散点分布图中的点统计可知，张拉裂纹点高于剪切破坏点，即在整个加载过程中，张拉裂纹居多。